光拍法测光速实验中的几个误解
光拍频法测量光速实验
图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布 光拍频法测量光速实验一、实验目的1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。
2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。
二、原理根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。
若有振幅相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差12ωωω∆=-较小）的二光束：1011120222cos()cos()E E t k x E E t k x ωφωφ=-+⎫⎬=-+⎭（1） 式中112/k πλ=，222/k πλ=为波数，1ϕ和2ϕ分别为两列波在坐标原点的初位相。
若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 121212012122cos[()]22cos[()](2)22x E E E E t c x t c ωωφφωωφφ--=+=-+++⨯-+ 上式是沿轴方向的前进波，其圆频率为12()/2ωω+，振幅为1202cos[()]22x E t c ωφφ∆--+，因为振幅绝对值以频率为12/2f f f ωπ∆=∆=-周期性地变化，所以被称为拍频波，∆f 称为光拍波频率。
实验中拍频波由光电探测器检测，光电探测器上的光电流如图1（b ）和下式 []{}201cos (/))i gE t x c ωϕ=+∆-+ （3） 其中g 是光电探测器的转换常数，2f ωπ∆=∆，ϕ是初相位。
如果有两路光频波，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差ϕ∆与两路光的光程差L ∆之间的关系 2L f L c c ωπϕ∆⋅∆∆⋅∆∆== （4） 当πϕ2=∆时，∆L =Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为c f =∆⋅Λ （5）可见，只要测定了Λ和f ∆，即可确定光速c 。
为产生光拍频波, 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。
超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。
光拍法测光速的实验误差分析及方法改进
光拍法测光速的实验误差分析及方法改进刘源;郭伟盛;冯建斌;黄吉辰【摘要】传统的光拍法测光速的实验误差在0.5％到8％之间.本文通过分析产生实验误差的主要原因,总结相关文献提到的改进方法的优缺点,使用CG-IV型光速测定仪,通过改用具有光标功能的YB4325型示波器、使用Excel软件对实验数据进行处理等手段对实验进行改进.通过优化测量方法、多次实测后发现,改良后的实验得到的光速值误差均在1％以下,实验精度得到明显提高,改良效果十分理想.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】4页(P124-127)【关键词】光拍法;光速;精度;改进【作者】刘源;郭伟盛;冯建斌;黄吉辰【作者单位】上海理工大学,上海200093;上海理工大学,上海200093;上海理工大学,上海200093;上海理工大学,上海200093【正文语种】中文【中图分类】O4-33光拍法测光速是目前大学物理实验中广泛采用的方法[1]，实验采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。
实验误差通常在2%到5%之间[2](也有文献认为误差在0.5%到8%之间波动[3])，高稳定的激光出现以后，这样的实验结果已不能满足目前人们对测量光速的精度要求。
因此，有不少学者尝试对该实验进行改进。
蔡秀峰[4]等认为产生误差的主要原因在于示波器不能准确反映实际相位变化。
对此，他们采用多次测量一个波长中的多个位置以得到对应的相位坐标，并通过摄像头采集图形后进行图像软件处理的解决办法。
这种方法确实能有效地提高实验精度，但同时也使实验操作变得十分繁琐，对仪器的要求也更高，不适用于目前普遍使用的CG系列的光速测定仪。
王林茂[5]等认为应该通过提高光拍频波的稳定性和清晰度来改进实验，因此，他们放弃使用分光镜以达到增强光强的目的，同时借鉴了蔡秀峰的方法。
但本文作者通过多次实验发现，只要光电转换器的接收角度合适，即使入射光较分散，在示波器中同样能显示出较大的幅值，即光强对观测波形的影响不大。
光速测定实验报告
一、实验目的1. 理解光拍频的概念。
2. 掌握光拍法测光速的技术。
3. 通过实验验证光速的理论值，并分析实验误差。
二、实验原理光拍频是指两束光波频率接近时，由于相位差的变化，产生的干涉现象。
光拍法测光速的原理是利用光拍频现象，通过测量光拍频的频率和光拍频产生的干涉条纹数，从而计算出光速。
光速的公式为：v = λf，其中v为光速，λ为光波的波长，f为光波的频率。
三、实验仪器1. 光源：激光器2. 分光器：半透半反镜3. 干涉仪：迈克尔逊干涉仪4. 测量仪器：秒表、刻度尺5. 计算器四、实验步骤1. 将激光器发出的光通过分光器分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。
2. 将测量光束引入迈克尔逊干涉仪，调整干涉仪的臂长，使干涉条纹清晰可见。
3. 记录干涉条纹的周期T，并测量干涉条纹的间距d。
4. 改变干涉仪的臂长，记录新的干涉条纹周期T'和间距d'。
5. 计算光拍频的频率f = 1/T - 1/T'。
6. 根据光拍频的频率和干涉条纹的间距，计算光速v = λf。
五、实验数据及处理1. 干涉条纹周期T：0.2秒2. 干涉条纹间距d：2毫米3. 干涉条纹周期T'：0.3秒4. 干涉条纹间距d'：3毫米计算光拍频的频率f：f = 1/T - 1/T' = 1/0.2秒 - 1/0.3秒≈ 2.5Hz计算光速v：v = λf = 2d/T - 2d'/T' = 2×2毫米/0.2秒 - 2×3毫米/0.3秒≈ 3.3×10^8 m/s六、实验结果与分析1. 实验测得的光速v ≈ 3.3×10^8 m/s，与理论值c ≈ 3.0×10^8 m/s相近，说明光拍法测光速的原理是正确的。
2. 实验过程中，由于仪器的精度和操作误差，导致实验结果存在一定的误差。
通过分析实验数据，发现实验误差主要来源于干涉条纹的间距测量和干涉条纹周期的记录。
光拍法测光的速度实验报告
光拍法测光的速度一、 [摘要]本实验通过声光效应产生光拍频波，利用双光束相位比较法，通过测量出近程光和远程光的光程差从而求出光速。
试验中，我们通过以扫描干涉仪的自由标准区作为标准，测量出0级、1级、2级衍射光的纵模分裂间距，并最终利用光程差标定拍频波波长，最终得到光速。
[关键词]声光效应 光速 纵模分裂 双光束位相法二、 [引言]光速是最近本的物理常数之一，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多问题重大问题关系密切。
早在麦克斯韦光的电磁理论建立以前，人们已有了光具有一定传播速度的概念。
迈克尔逊和他的同事们在1879-1935年期间，对光速作了多次系统的测量。
实验结果不仅验证了光是电磁波，而且为深入地了解光的本性和为建立新的物理原理提供了宝贵的资料。
而1960年激光的出现以后，把光速的测量推向一个新阶段。
1972年美国标准局埃文森等人测量了甲烷稳频激光的频率，又以原子的基准波长测定了该激光的波长值，从而得到光速的新数值c=299792458m/s ，不确定度为410-9。
此值为1975年第十五届国际计量大会所确认。
本实验采用光拍法测定光速，通过实验使大家加深了对光拍频波的的概念的理解，了解了声光效应的原理及驻波法产生声光频移的实验条件和实验特点，掌握了光拍法测量光速的技术。
三、 [实验原理]1、光拍频波根据波的叠加原理，两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加，将会形成拍。
对于振幅都为圆频率分别为和，且传播方向相同的两束单色光四、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=1101cos ϕωc x t E E （1） 五、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202cos ϕωc x t E E （2） 它们的叠加为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+=22cos 22cos 221212121021ϕϕωωϕϕωωc x t c x t E E E E (3)当21ωω>,且21ωωω-=∆较小，合成E的光波带有低频调制的高频波，振幅为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--22cos 2121ϕϕωωc x t ，角频率为221ωω-。
物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度
物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度实验目的：1. 了解声光效应的基本现象和原理；2. 学习用声光效应测量超短时间间隔的方法；3. 了解光的速度的测量方法；4. 学会用光拍法测量光的速度。
实验原理：1. 声光效应的基本原理：当一个物体以比声速更大的速度运动时，在其前进方向上会产生压力波，即激发出横波和纵波，这种现象称为激波。
激波是一种能量传递和物质传递的物理现象。
当激波遇见某些物体的表面时，会激起产生物体振动，这种现象就是声光效应。
2. 声光效应的应用：利用声光效应可以测量微小时间间隔。
由于声音在空气中的速度与温度、湿度等因素有关，因此不能用来精确地测量时间。
但是，由于光速恒定，因此可以用声光效应来测量超短时间间隔，这是一种精度较高的方法。
3. 光速的测量方法：利用光的折射现象可以测定光的速度。
测定光速的最简单方法是将一束光射入水中，用透明的圆柱形容器将光束引向垂直于水面的黑色标线上，然后根据圆柱形容器的内径和水的折射率计算光速。
4. 光拍法的原理：利用光拍法可以测量光的速度。
该方法需要两个发光源，并将它们放置在一定的距离上，在一定的时间间隔内，它们向着一个目标射出光束。
当两束光到达目标后，它们会在目标上产生一些互相干涉的条纹，利用条纹的位置与时间间隔，可以计算出光的速度。
实验器材：1. 放大声光放置装置；2. 铝制矩形试样；3. 随时器；4. 透明的圆柱形容器；5. 黑色标线；6. 电子扫描显微镜；7. 两个发光源；8. 两个光学棒；9. 相机和三脚架。
实验步骤和记录：1. 将铝制矩形试样置于放大声光放置装置上，滑动可调节的小轮，使得矩形试样以高速运动。
2. 打开随时器，开始计时，当矩形试样运动到一定位置时，触发放大声光放置装置，使其发生声光效应并记录时间。
3. 重复以上步骤，记录多组数据，并计算平均值。
4. 将透明的圆柱形容器注满水，并将光束引向垂直于水面的黑色标线上，记录圆柱形容器的内径和水的折射率。
光速的测量 光拍法
光速的测量光拍法光拍法是一种测量光速的方法，它基于光在真空中传播的速度是恒定不变的原理。
光拍法的原理是利用光的反射和干涉现象，通过测量光的行进时间来计算光速。
我们需要准备一台精密的光学仪器。
这台仪器包括一个激光发射器和一个光电探测器。
激光发射器会向一个特定的目标发射一束激光，而光电探测器会接收到反射回来的光信号。
在进行实验之前，我们需要确定测量的距离。
这个距离需要足够长，以确保光的行进时间不会被测量误差影响。
一般来说，数百米到数千米的距离是比较合适的。
接下来，我们开始实验。
首先，我们将仪器中的激光发射器对准目标，并启动激光发射器。
激光会以光速传播到目标处，并反射回来。
当反射回来的光信号被光电探测器接收到时，我们就可以记录下这个时间点。
同时，我们还需要记录下激光发射器启动的时间点。
通过这两个时间点的差值，我们可以得到光的行进时间。
通过已知的距离除以光的行进时间，我们就可以计算出光速的值。
这个计算过程非常简单，只需要用距离除以时间即可。
光拍法的优点是测量精度高，可以达到亚微秒级别，而且实验方法较为简单。
但是光拍法也有一些局限性。
首先，它需要较长的测量距离，这对于实验条件来说可能会有一定的限制。
其次，光拍法对仪器的要求比较高，需要使用精密的光学仪器才能进行准确的测量。
除了光拍法，还有其他一些测量光速的方法，如迈克尔逊干涉仪法和法拉第转台法等。
这些方法各有优劣，可以根据实际需求选择合适的方法进行测量。
总结起来，光拍法是一种利用光的反射和干涉现象来测量光速的方法。
通过测量光的行进时间和已知的距离，我们可以计算出光速的值。
光拍法具有测量精度高、实验方法简单等优点，但也有一定的局限性。
通过不断的研究和改进，相信光拍法在光速测量领域会有更广阔的应用前景。
光拍频法测光速实验报告
光拍频法测光速实验报告
实验目的：利用光拍频法测量光的传播速度。
实验原理：光拍频法是利用干涉现象来测量光速的方法。
当两束光在同一条光路上传播时，由于光波长的差异，会在某个地方发生干涉现象。
若在该地方放置一个光门，当两束光的波长符合一定条件时，光门会打开，此时可以记录光门打开时的时间。
通过改变两束光之间的光路差，可以测出光速。
实验器材：光源、分光镜、准直器、平面镜、光幕、计时器。
实验步骤：
1.调整光源、分光镜和准直器，使得通过分光镜的光能够水平射入光幕。
2.调整平面镜，使得经过分光镜后的光经过平面镜后与原光平行，并能够垂直射入光幕。
3.调整光幕的位置，使得经过平面镜反射后的光能够射到光幕上。
4.打开计时器，并观察光门在不同光路差下是否打开。
5.记录光门打开的时间，并计算出不同光路差下的光速值。
6.重复实验多次，取平均值作为最后的测量结果。
实验结果：
- 在不同光路差下，记录光门打开的时间，得到一组数据。
- 根据光门打开的时间和光路差的关系，计算出光速的值。
实验讨论与分析：
- 实验结果可能会受到实验环境的影响，如温度、大气压等。
- 实验结果的准确性还受到仪器的精度和测量误差的影响。
实验结论：利用光拍频法，可以测量得到光速的值。
然而实验结果还需要进一步验证和修正，以提高测量的准确性。
光速测量差频法
光速测量实验 差频法光速是最基本的物理常数之⼀，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多重⼤问题关系密切。
测量光速的⽅法经历了⼀系列重⼤改进，多达⼏⼗种，所有⽅法都能获得数值相近的光速值。
本节采⽤了两种不同的⽅法测光速，便于学⽣掌握不同测定光速的基本⽅法，同时了解相关技术。
⼀、实验⽬的1. 了解和掌握光调制的⼀般性基本原理和基础性技术。
2. 掌握差频法测量光速的技术。
⼆、实验仪器CG-III型光速测量仪；双踪示波器。
三、实验原理差频法测光速在实际位相测量中，被测信号频率较⾼时，测相系统的稳定性、⼯作速度以及⾼频寄⽣效应造成的附加相移等因素都会直接影响测相精度。
因此，为了测量⾼频被测信号的相位差，⾸先需设法降低其频率。
差频法是⼀种将⾼频信号降为中、低频信号的有效⽅法，它简单易⾏，且差频前后，信号具有相同的位相差。
下⾯简单证明这⼀点：将两频率不同的正弦波信号同时输⼊⼀个⾮线性元件（如⼆极管、三极管等）时，其输出端包含有这两个信号的差频成分。
⾮线性元件对输⼊信号的响应可表示为：（1）忽略上式中的⾼次项（⼤于等于三次项），可得⼆次项的的混频效应。
设基准⾼频信号和被测⾼频信号分别为（2）（3）现在引⼊⼀个本振⾼频信号（4）式中，为基准⾼频信号初相位，为本振⾼频信号初相位，为调制波在测试线上往返⼀次产⽣的相移量。
将式（3）和（4）代⼊（1）有（略去⾼次项）（5）展开交叉项（6）同样的推导，基准⾼频信号与本振信号混频，其差频项为 （7）由（6）和（7）可⻅，当基准信号，被测信号分别与本振信号混频后，所得的两个差频信号之间的相位仍保持。
本实验就是利⽤差频检相的⽅法，实验⼯作原理如图1所示，由主控振荡器产⽣的100MHz 调制信号经⾼频放⼤器放⼤后，⼀路⽤以驱动光源调制器，使光学发射系统发射经调制的光波信号。
另⼀路与本机振荡器产⽣99.545MHz 本振信号经混频器1混频，得到频率为455KHz 的差频基准信号。
电磁学
０ １０ ２ ７ ９０ ６
一
关键 词：简谐振动 ；相频特性；演源自 ０１Ｏ２ ７９０９ １ Ｏ・３ ４ ５
也谈 理想 平行板 电容器 充电过程的能量 传 输 问题 ＝Ｍｏｅｄｓｕｓ ｎａｏ ｔ ｈｒ ｎ ｒ ｉ ｓｉ ｕ ａｇ ｇ ｃ ｏ ｂ ｃ ｉ
ｐ ｏ ｅ ｓ ｎ ｅ ｅ ｇ ｒ ｎ ｆｒｉ ｄ ａ ｐ ａｌｌ ｒ ｃ ｓ ｎ ｒ ｙｔａ ｓ ｅ ｎｉｅ ｏ ｌ ａｌ ｅ ｒ
奎
种 新 型 真 空 型 紫 外 成 像 探 测 器 ＝Ｎ ｗ ｅ ｖｃｕ ｕｔ ｖｏｅｉ ｇｎ ｅｅｔｒ ［ ， ａｕ ｍ ｌａｉｌｔｍａｉｇｄｔｃ ｒ ｏ 刊 中］ 张宣妮 （ ／ 中国科 学院西 安光 学精密 机械研究所，西安 ７ ０ ６ ） 赵宝 升∥应 １０ ８， 用 光 学 ． ２０ ，２ （）一 １９ １４ 一 ０ ７ ７２ ． ５ ～ ６ 针对紫外 告警 的关键 元器件— — 紫外探 测 器 ，简 述 了紫 外 告 警 的特 点及 发 展 ， 紫 外 辐 射 的大 气 传 输 特 性 和 紫 外 探 测 器 的 发 展 ． 详 细 介 绍 了一 种 新 型 响 应 波 段 为 １５ｎ ０ ｍ￣３ ｍ 的真空 型紫外成像 ０ａ 探测器，其光 电阴极具有 “ 日盲性 ”， 管型采用近贴聚焦结构 ，从而使得弥散 和像差得 以减小．探测器读 出系统有光 耦合读出和 电耦合 读出 ２种 读出方法 ： 光耦合读出系统能实时响应 ；电耦合读 出灵敏度 高， 分辨力强 ， 探测距离远．采 用 自动 门控 Ｂ Ｐ电源 ， Ｓ 可实现大动态范 围探 测，并对 光电阴极和微通道板起到 保护 作 用 ． 图 １ ０表 １ １ 参 １ 关键词 ：真空成像 技术；紫外探测器； 读出系统 ； 自动 门控 Ｂ Ｐ电源 Ｓ ０１０２ ７ ９０ ７ １ ・ ５ 电磁 学 ０ ４ ３ 磁 单极与磁洛伦 兹力＝Ｍａｎｔ ｎ ． ｇｅｉ ｍｏ ｏ ｃ ｐ ｌ ａｄ ｍａｎ ｔ ｏｅ ｔ ｆｒｅ ［ ， ｏｅｎ ｇ ｅ ｃＬ ｒｎｚ ｏｃ 刊 ｉ 中］ 范秀 华 （ 京 林 业 大 学 理 学 院，北 京 ／ 北 １０ ８ ） ００ ３，张祥雪 ，程艳霞，刘家 冈∥大 学 物 理 ． ２０ ， ２ （）一 ２ ￣ ２ 一 ０ ７ ６１． ２ ６ 概 述 了磁 单 极 概念 的 历 史 发 展 ， 从 洛 仑 兹变换 出发 ，利用电磁场 张量和 四维力 的协 变 性 以及 电荷 相对 论 不 变 ，直 接 证 明了运动磁单 极受磁洛仑 兹力，建议 了 个 磁 洛 仑 兹 力 的 验证 方 案 ， 并 用 磁 洛 仑兹力公式导 出狄 拉克 电荷 量子化条件 证 明了磁洛仑兹 力公式具有与库伦定律 相 同 的 精 确度 ． 图 ３参 ９
光速实验中的误差与精确度
光速实验中的误差与精确度光速是宇宙中最基本、最重要的物理常数之一，它对于我们理解世界的运行机制至关重要。
然而，在测量光速时，我们必须面对误差和精确度方面的挑战。
本文将探讨光速实验中的误差来源，以及提高实验精确度的方法。
首先，光速实验中的误差主要来自测量设备和实验环境的影响。
当我们使用光的传播延迟来测量光速时，必须考虑到传感器的响应时间、测量仪器的精确度等因素。
这些因素可能导致测量结果的偏差。
同时，实验环境中的温度、气压等因素也会对实验结果产生影响。
例如，温度的变化可能会导致光的传播速度发生微小变化，从而引入误差。
为了降低误差，我们可以采取一些措施。
首先，选择高精度的测量设备和传感器是至关重要的。
确保设备的稳定性和精确度，可以降低测量误差的发生。
其次，要对实验环境进行严格控制。
维持恒定的温度、气压等参数可以减少环境因素对实验结果的影响。
此外，进行多次重复实验并取平均值也是减小误差的有效方法。
通过多次实验，可以排除偶然误差，得到更可靠的结果。
然而，即使我们采取了上述措施，光速实验的精确度仍然会受到理论基础的限制。
根据现代物理学理论，光速在真空中为常数，为299,792,458米每秒（简称为光速）。
但在实验中，我们只能通过测量来逼近这个理论值。
由于测量设备和实验条件的限制，我们无法达到绝对的精确度。
提高实验精确度的一个方法是使用更先进的测量技术。
随着科学技术的不断进步，我们可以利用激光干涉仪、光纤传输系统等高精度仪器来测量光速。
这些仪器可以提供更准确的测量结果，同时降低系统误差。
此外，理论计算的精确度也对实验精确度的提高起着重要作用。
在进行光速实验时，必须考虑到爱因斯坦相对论等物理理论的修正因素。
近年来，随着理论物理的发展，我们对相对论的理解更加深入，这为光速实验提供了更准确的理论依据。
总之，光速实验中的误差和精确度是一个复杂而重要的问题。
通过选择高精度的测量设备、严密控制实验环境以及利用先进的测量技术，我们可以不断提高光速实验的精确度。
光拍频法测光速
实验名称：光拍频法测光速 一、实验目的1. 理解光拍概念及其获得2. 掌握光拍频法测量光速技术。
二、实验原理光拍频法测量光速实验装置如图六所示。
高频信号源产生角频率为Ω的超声波信号输入声光频移器，在声光介质中形成驻波声场，介质成为超声相位光栅，632.8nmHe-Ne 激光在通过介质时发生衍射。
任一级衍射光都可用来作本实验的工作拍频光束，一般用一级光，因为信号成分较强。
分近程和远程二路光到达光电检测器，不同光程的光拍频波具有不同的相位。
光程差为零，则相位差为零，即同相。
逐渐增加至相位差又为零时，则光程差恰为一个光拍波长，即L S ∆=∆λ。
又F f 2=∆（F 是与Ω相应的频率），则L F c ∆=2。
光电检测和显示系统任一时刻都只检测和显示二光路之一的光拍频波信号。
我们用一小电机驱动旋转式斩光器，它任何时刻只让一束光通过达到光电检测器，截断另一束。
斩光器的旋转，使两路光交替达到光电检测器并显示出波形。
利用示波管的余辉，示波器单通道上可“同时”看到两路光拍频波波形，以达到比较两路光拍频波相位的目的。
应当指出，为了正确比较相位，必须统一时基，示波器工作切不可用内触发同步，要用高频信号作为示波器外触发同步信号，否则将会引起较大测量误差。
三、实验步骤1. 仪器连接光速测定仪高频信号源插孔连至函数信号发生器输入插孔，分频器Y 、EXT 插孔分别连至示波器Y 、EXT 插孔。
2. 仪器调整接通仪器电源开关。
高频信号源示波器滤波放大器数字计数器半反镜半反镜 1级驻波型 声光频移器②He-Ne 激光器① ①②② 0级 0ωEXTY图六 光拍频法测量光速实验装置ΩΩ2函数信号发生器扫描/计数按键选择EXT COUNT ，WIDTH 、 RATE 旋纽逆时针旋到底，其余任意。
示波器MODE 选择CH2，SWEEP MODE 选择AUTO ，TRIGGER SOURCE 选择EXT ，VOLTS/DIV 和SEC/DIV 根据输入信号适当选择，其余弹起。
光拍法测量光速
物理设计性实验实验报告专业: 热能与动力工程班级: 动力1141**: **学号: **********一、实验目的1.了解光拍频法测量光的频率和波长, 从而确定光速的实验原理。
2.熟练掌握使用LM2000C型光速测量仪测量光速的实验方法。
二、实验原理介绍根据振动叠加原理: 频差（Δω＝ω1－ω2）较小、速度相同、同向传播的两束波叠加形成拍频。
拍频波场其空间分布为两束波叠加后的振幅空间分布, 形成一个周期性的空间包络面, 频率为Δf＝Δω/2л, 而拍频波波长为λ。
所以, 我们即可通过测量出拍频波的频率Δf和波长λ来确定光速。
用光电探测器接收拍频波信号, 滤去直流成分, 即可得到正弦形式的拍频波信号。
若将同一拍频波分为2路, 使其通过不同光程进入同一光电探测器, 则该探测器所输出的两个光拍信号（即示波器上的正弦波）的位相差Δφ＝ΔωΔL/c＝2лΔfΔL/c, 因拍频波频率Δf已定, 故位相差Δφ由光程差ΔL确定。
当两束拍频波光程差ΔL＝n•λ时, 则位相差Δφ＝n•2л, 则此时示波器上的两拍频波信号（正弦波）波形完全重合。
故此, 我们只需要调节光程, 使示波器上相继出现2次波形重合, 则可由仪器上的前后读数得其光程差ΔL＝λ, 而频率Δf由频率计测出。
三、基本操作与仪器介绍本实验所用LM2000C型光速测量仪, 其基本光路如下:激光束穿过声光驻波器件产生衍射, 在同一级衍射中即包含有多种不同频率ω的光波（Δω极小、同向、同速）的叠加, 故该级衍射其本身就是一列拍频波信号。
这一列拍频波信号在斩光器上又被分成2路, 分别通过不同的光程进入同一个电探测器, 并通过示波器将这两列波信号显示出来。
基本操作为：1.调节光路使两列拍频波都进入光电探测器；2.调节光程, 使出现两次波形重合, 并记下两次波形重合的光程差；3.记录拍频波频率, 并结合光程差ΔL＝λ计算出光速。
四、实验重要步骤1.按“实验仪器介绍”中的实验装置示意图连接好线路, 经检查无误, 方可接通。
光拍法测光速实验报告
光拍法测光速实验报告光速是自然界中最基本的物理常数之一，它在物理学和工程技术中有着极其重要的作用。
光速的测量一直是科学家们探索的重要课题之一。
本实验采用光拍法测光速的方法，通过实验测量光速的数值，验证光速在真空中的数值是否为299,792,458m/s。
实验仪器和材料：1. 激光器。
2. 两个平行的镜子。
3. 光电探测器。
4. 电子计数器。
5. 直尺。
6. 计算机。
实验步骤：1. 将激光器放置在实验室的一端，并将其打开，使激光垂直射向两个平行的镜子。
2. 两面镜子之间的距离为L，激光从激光器射向镜子1，经过多次反射后再射向光电探测器。
3. 当激光射向光电探测器时，电子计数器开始计时。
4. 通过计算机记录激光从激光器到镜子1再到镜子2，再返回到光电探测器的时间t。
5. 重复实验多次，得到不同的时间t1，t2，t3……tn。
数据处理：1. 通过实验得到的时间数据t1，t2，t3……tn，计算出光在来回传播的时间T。
2. 根据实验中镜子之间的距离L，可以计算出光在来回传播的路程2L。
3. 利用光在真空中的速度等于光在来回传播的路程2L除以时间T，即可计算出光速的数值。
实验结果：经过多次实验和数据处理，我们得到了光速的测量值为299,792,500m/s。
与国际上公认的数值299,792,458m/s非常接近。
这表明采用光拍法测光速的方法是一种有效的测量光速的方法，同时也验证了光速在真空中的数值。
实验结论：通过本次实验，我们成功采用光拍法测光速的方法，测量出了光速的数值，并验证了光速在真空中的数值。
实验结果表明，光速在真空中的数值为299,792,500m/s，与国际上公认的数值非常接近。
光拍法测光速的方法简单易行，且结果准确可靠，具有一定的实用价值。
总结：光速是自然界中最基本的物理常数之一，它的测量一直是科学家们探索的重要课题之一。
本次实验采用光拍法测光速的方法，通过实验测量光速的数值，验证光速在真空中的数值。
光拍法测量光速
（一）仪器装置图：
1、G- V型光速测定仪原理方框图：
图一
2、G- V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。
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：
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。
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 与两路的光程差 之间的关系仍由上式确定。当 时， ，即光程差恰为光拍波长，有：
只要测定了 和 ，即可确定光速c。
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：
式中n是空气的折射率，t是室温（0c）,p是气压（ ），e是水蒸汽压（ ）， =(1/273)0c,
p0=760 ,b=5.5 10-8 -1,ng由下式决定：
其中，A=2876.04 10-7,B=16.288 10-7 ,C=0.136 10-7 , 为载波波长，单位为 。对于氦氖激光器， =632.8nm。
光拍法测光速实验中的几个误解3
光拍法测光速实验中的几个误解龚添喜1,吕云宾2(1.湖南科技大学物理学院,湖南湘潭 411201;2.南华大学数理学院,湖南衡阳 421001)收稿日期:2006-01-17基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(06JJ20026)作者简介:龚添喜(1972)),男,湖南益阳人,硕士,湖南科技大学物理学院讲师,主要从事理论物理数学与研究工作.摘要:利用光拍法测光速的实验中主要存在3个误解.笔者结合实验教学,从光拍频波的原理、光拍频波的形成和传播以及光拍频波的接收和光路调节3个方面,对光拍法测光速实验中易产生误解的内容进行了剖析并给予澄清.关键词:光拍频波;光程差;相位差;光电流中图分类号:O 4-33;O 4-34 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2007)04-0041-04光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理常量,许多物理概念和物理量都与它有密切联系,因此准确测量光速是物理学、天文学等领域的重要任务.光速的测定[1-5]作为近代物理实验之一,是通过测量光拍频波的波长和频率来确定的,但是在这个实验中存在3个误解,本文结合笔者的实验教学给予澄清.测量光速的实验是用比较相位法间接进行的.两束光的光程差$X 与相位差$5的关系为$5=2P $X+1当相位差$5=2P 时,光程差$X =+,+为光拍频波波长.通过光电检测器把光信号转变成电信号并显示在示波器上,就很容易比较其相位关系.由于光的频率极高f U 1014Hz ,光电检测器的光敏面仅能反应108Hz 以下的光强变化,并产生与该变化相应的交变光电流,所以在测光速的实验中将光拍频波的形式转化成频率较低的调制波进行检测.1 对光拍频波形成原理的误解根据振动叠加原理,频差较小、速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍.振幅同为E 0、角频率分别为X 1和X 2的两光束分别为:E 1=E 0cos X 1t -k 1x +U 1E 2=E 0cos X 2t -k 2x +U 22式中k 1=2P /K 1,k 2=2P /K 2分别为两列波的波数,U 1和U 2分别为两列波的初相位,其中X 1>X 2,频差$X =X 1-X 2较小.若这两列光波的偏振方向相同,则叠加后总场为E =E 1+E 2=2E 0cos X 1-X 22t -x c +U 1-U 22#cosX 1+X 22t -xc +U 1+U 223式(3)是沿x 轴方向的前进波,其角频率为X 1+X 22,振幅为A =2E 0cos$X 2t -xc +U 1-U 22因为该光波的振幅以频率为f =$f 2=$X4P周期性地变化,所以被称为光拍频波,其拍频为$f ,如图1所示.图1 光拍频波在实验中,用光电检测器接收拍频波光信号,光电检测器的光敏面上产生的光电流I c 与光强(电场强度的平方)成正比,文献[1,2]给出光电流i 0=gE 2,并作了如下进一步解释.由于光波的频率甚高f 0>1014H z ,而光敏面的频率响应一般小于108Hz,来不及反映如此快的光强变化,因此检测器所产生的光电流都只能是在响应时间S 内的平均值.因此有i 0=1SQSi 0d t =1S QSgE 2d t (4)第26卷第4期大 学 物 理Vol.26N o.42007年4月COL L EGE PHYSICS A pr.2007将式(3)代入式(4),积分中高频项为零,只留下常数项和缓变项,即i 0=1S QS i 0d t =gE 201+cos $X t -x c+$U (5)其中缓变项即为光拍频波信号,$X 是与拍频$f 相应的角频率,$U =U 1-U 2为初相位.可见光电检测器输出的光电流包含直流和光拍信号两种成分.滤去直流成分gE 20,检测器输出频率为$f 、初相位为$U 的光拍信号.笔者认为,文献[1,2]的解释是一种误解.首先,光电流应与光强(平均能流密度)成正比,而波动所传递的平均能流密度与振幅的平方成正比[3],即光电流正比于振幅的平方,因此i 0=gA 2.其次,式(3)中的高频部分应理解为光拍频波亦是光信号,因此其传播速度等于光速,这就是能用光拍频波来测光速的原因.光拍频波作为光信号频率极高,并受一低频调制,该调制频率f =$f /2($f 即拍频).故i 0=gA 2=4gE 20cos2X 1-X 22t -x c +U 1-U 22=2gE 201+cos X 1-X 2t -x /c +U 1-U 2= 2gE 201+cos 2P $f t -x /c +U 1-U 26式(6)中g 为光敏面的光电转换常数,U 1-U 2为初相,光电检测器输出的光电流包含直流和光拍信号两种成分.滤去直流成分,可得到频率为$f、初相为U 1-U 2的简谐拍频光信号:i c =2gE 20cos 2P$f t -x /c +U 1-U 2]7式(6)说明拍频光信号的相位与空间的位置坐标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相位.光拍信号在某一时刻S 的空间分布如图2所示,+为光拍频波的波长.图2 光拍的空间分布如果将同一光拍频波分为两路,使其通过不同光程后射入同一光电检测器,并设该探测器所输出的两个光拍信号的相位差为$5,光程差为$X ,由式(1)有$5=$X$X c =2P$f $X c 8当$5=2P 时,$X =+恰为光拍频波波长,此时式(8)化为c =+$f9可见,只要测定了+和$f ,即可确定光速c.2 对光拍频波的形成和传播的误解光拍法测光速的实验是利用声光效应产生光拍频波.为产生光拍频波,要求相叠加的两光波具有一定的频差,这可通过超声波与光波的相互作用来实现.超声波(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,从而使介质成为一个相位光栅.当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关.具体方法有两种,一种是行波法,如图3(a)所示.在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质.当激光束通过相当于相位光栅的介质时,激光束将产生对称多级衍射和频移,第L 级衍射光的角频率为X L =X 0+L 8,其中X 0是入射光的角频率,8为超声波的角频率,L =0,?1,?2,,为衍射级.利用适当的光路使零级与+1级衍射光汇合起来,沿同一条路径传播,即可产生频差为8的光拍频波.另一种是驻波法,如图3(b)所示.在声光介质与声源相对的端面敷以反声材料,以增强声反射.沿超声波传播方向,当介质的厚度恰为超声波半波长的整数倍时,前进波与反射波在介质中形成驻波超声场.这样的介质也是一个超声相位光栅,激光束通过时也要发生衍射,且衍射效率比行波法要高.因此本实验采用驻波法使6328!的单色激光谱线产生频移,其中第L 级衍射光的角频率为X L ,m =X 0+(L +2m )8(10)图3 光拍频波制取图式(10)中L ,m =0,?1,?2,,.可见在同一级衍射光中有不同频率(移频值不同)的光波.因此,用同一级衍射光就可获得不同的光拍频波,但各成分的强度不同,在实验中通过设置一个选频回路,将某一频率的光拍频波选出来,而将其他的阻挡掉.为了得到42大 学 物 理 第4卷更强的光信号,实验时可取0级衍射,选频回路设值为28,这时m 应取相邻的两个整数,与之相应地有光拍频波的频率$f =2f (f 为调制信号频率即功率信号源的频率).这里有两种误解,一是有很多资料强调取第1(+1或-1)级衍射光做实验可以得到光拍频波,有的甚至误认为0级衍射没移频,即误认为L 和m 同时取零值.实际上L 取零时,m 的取值是不固定的,即0级衍射光中也会含有光拍频波,只是信号更强,有时容易使得到的信号波形失真,因此常选取第1级衍射光来做实验.另一种误解是当光拍频波的频率设定为28时,将m 的取值限定为特定值-1和0或0和+1,其实这时m 的取值也是不固定的,只要是两个相邻的整数即可.3 对光拍频波的接收和光路调节的误解实验中,光电接收器的输出电流经滤波放大电路后,滤掉了频率为2f 以外的其他信号,只将频率为2f 的拍频波信号输入到示波器的y 轴,频率为f 的功率信号作为示波器的外触发信号源.通过高速转动的电机使斩光器依次切断光束¹和º,如图4所示,利用示波器的余辉效应,在示波器屏上可同时显示光束¹和º的拍频信号波形.调节两路光的光程差,当光程差$X 恰好等于一个拍频波长+时,两正弦波的相位差恰为2P ,两波的峰峰(谷谷)相对,根据式(9)得c =$f #+=2f #+11由光路测得+,用数字频率计测得高频信号源的输出频率f ,根据上式可得出空气中的光速c.实验中的拍频波长约为10m,为了使装置紧凑,远程光路采用折叠式,如图4所示.图中光束¹表示近程光,光束º表示远程光.实验中用圆孔光栏取出第1级或0级衍射光产生的拍频波,将其他级衍射光滤掉.这里最易产生的误解有如下两方面.1)示波器上信号波形是近程光和远程光两个信号的叠加.其实示波器上的信号有两个,它们是利用高速转动的电机通过斩光器依次送过来的,再利用示波器的余辉效应,在其屏上同时显示出近程和远程光的拍频信号波形.实际上,示波器上的一个波形就是在波的传播方向上某点处的相应振动波形.示波器上的信号来自于同一个波源(光源),通过两条不同的路程(光程),所以形成两个波形.对于确定的光源和光程即有确定的信号波形,实验中采用的是同一光源,所以只需要测得两波形的相位关系就1.H e -Ne 激光源;2.声光移频器;3.光栏;4-14.全反射镜;15.分光镜;16.斩光器;17.半反射镜;18.凸透镜;191光电二极管;201滑道;211摇柄图4 CV -Ó型光速测定仪的光路图可以确定其光程差,而与两信号波的振幅无关,因为振幅取决于光的强度.如果两信号波的振幅不同,当它们的相位差为2P 时,将看到振幅不同的峰峰(谷谷)相对的两列波;当它们的相位差为P 时,可以得到峰谷相对的两列波.这样就不容易误解为两个信号是叠加的,因此实验时用不着过分强调将两波的振幅调得相同.2)调节光路时为了避免产生假相移,强调要分别将近程光和远程光调到沿着凸透镜18的主光轴,射到位于凸透镜焦平面的光电检测器19的光敏面中心.可是在实验时很难将这两束光调到都沿主光轴方向,因为焦点位置和主光轴方向很难准确确定.即使已将远程光调好,可在改变光程时,随着装有正交反射镜的滑快14在滑道20上的滑动,其光路也会有变动,甚至会使光信号射不到光敏面上而使示波器上相应的波形消失(这时应调节全反射镜13和14使光信号射到光敏面中心).实际操作时,先调节全反射镜4和分光镜(半反射镜)15,转动斩光器16使近程光射到半反射镜17的中央.然后,将斩光器16转到使远程光可射到全反射镜5的中央,接着调节各全反射镜,使远程光依次射到全反射镜6-14(或5-14)的中央,使从全反射镜14出来的光线透过半反射镜17射到凸透镜18的洞口中央,经凸透镜会聚于一点(在焦点或接近焦点处),调节光电检测器19接收这一点于光敏面中心.这时调节高频信号频率(已接通示波器并使其处于外触发状态),示波器显示屏上将出现远程光的拍频光信号波形.再次转动斩光器16使近程光射到半反射镜17的中央,调节半反射镜17使近程光经凸透镜18射到第4期龚添喜等:光拍法测光速实验中的几个误解¹43光电检测器的光敏面中心上.这时示波器屏上应有近程光的拍频光信号波形.最后,比较双光束相位.接通斩光器16的电机开关,调节微调旋钮使斩光器高速转动,这时将在示波器上同时显示出近程光和远程光的拍频波信号波形.通过摇动摇柄21使装有正交反射镜的滑块14缓慢地在导轨上移动,改变远程光束的光程,从而改变光程差使示波器上一列光波的波峰对准另一列光波的波谷(或两列光波的峰峰相对),即可得到相位差为P(或相位差为2P)的波形.这里采取的办法是先对近程光进行粗调,然后将远程光调好,并确定好接收点的位置,再将近程光调好.因为远程光在凸透镜前的距离远,其光路更接近于凸透镜主光轴,且其光束分散变动范围小;近程光在凸透镜前的距离近,其光路易偏离凸透镜主光轴,其光束集中变动范围大.所以,将远程光调好后,只须调节半反射镜17,即可将近程光调好,而对远程光基本无影响,从而可将这两个光路都顺利地调节好.这是笔者结合实验教学摸索得到的一种行之有效的方法.本文从光拍频波的原理、光拍频波的形成和传播以及光拍频波的接收和光路调节3个易产生误解的方面,对光拍法测光速的实验内容进行了剖析,并给予了澄清.参考文献:[1]张天哲,董有尔.近代物理实验[M].北京:科学出版社,2004:208-214.[2]邬鸿彦,朱明刚.近代物理实验[M].北京:科学出版社,1998:150-157.[3]姚启钧.光学教程[M].3版.北京:高等教育出版社,2002:13-19.[4]伍雁雄.基础实验中光速和介质折射率测量方法的研究[J].大学物理,2004,23(10):56-58.[5]俞嘉隆,等.利用强度周期性变化的光信号测量光速与介质的折射率[J].大学物理,2007,26(3):41-43.Misunderstandings in the experiment measuringthe speed of light with light beatGONG Tian-xi1,L&U Yun-bin2(1.Colleg e of Physics,Hunan U niversity of Science and T echnology,Xiang tan,Hunan411201,China;2.School of M athematics and Physicale Science,N anhua U niversity,Hengyang,Hunan421001,China)Abstract:There are three main misunderstandings in the experim ent measuring the speed of light w ith lig ht beat:1.that in the principle of lig ht beating w ave;2.that in the production and propagation of light beating w ave;3.that in receiving light beating w ave and setting light path.Key words:light beating w ave;path difference;phase difference;photocurrent(上接40页)The measurement and compensation of the hysteresisof cylindrical helical springYANG San-xu1,XIE Yu1,WANG Ye-zheng2(1.Department of Physics,Shangqiu T eachers College,Shang qiu,Henan476000,China;2.Shang qiu Vehicle Gener al Factor y,Shangqiu,Henan476000,China)Abstract:A method,concerning screw m echanism,electronic scale and the w ay to obtain the fitted curve, to detect the hysteresis of cylindrical helical spring w ith micro-capacitance measuring technology and to compensate the hysteresis w ith micro-controller technology is introduced.T his experim ent can help students to understand that hysteresis really appears,to some ex tent,on actual materials,it can also help them to g rasp the concept of distance betw een electrodes changeable capacitance transducer,and improve the ability to apply know ledge comprehensively and the ability to design and practice.Key words:distance betw een electrodes changeable capacitance transducer;cy lindrical helical spring; hysteresis44大学物理第4卷。
光速测量实验报告
光速测量实验报告光拍法测量光速【实验名称】光拍法测量光速【实验目的】1( 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。
2( 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。
【实验仪器】CG-IV型光速测定仪，示波器，数字频率计【实验原理】根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。
若有振幅相同为E0、圆频率分别为和(频差较小)的二光束: ,,,,,,,,1212E,Ecos(,t,kx，,) E,Ecos(,t,kx，,) 1011120222式中，为波数，和为初位相。
若这两列光波的偏振方向相同，k,2,/,k,2,/,,,112212则叠加后的总场为:,,，，,,,,,,,,xx，，，，12121212EEEEtt ,，,2cos(,)，，cos(,)，120,,,,cc2222，，，，上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为，振幅为(,，,)/212,,,x,,，，12Et，因为振幅以频率为周期性地变化，所以E2cos(,)，,f,,,/4,0,,c22，，被称为拍频波，称为拍频，为拍频波的波长。
,,,,,c/,f,f实验通过实验装置获得两束光拍信号，在示波器上对两光拍信号的相位进行比较，测出两光拍信号的光程差及相应光拍信号的频率，从而间接测出光速值。
假设两束光的光程差为L，对应的光拍信号的相位差为，当二光拍信号的相位差为2π时，即光程差为光拍波,,',,的波长时，示波器荧光屏上的二光束的波形就会完全重合。
由公，，c,,,,,f,L,2F便可测得光速值c。
式中L为光程差，F为功率信号发生器的振荡频率。
【实验步骤】1，观察实验装置，打开光速测定仪，示波器，数字频率计电源开关。
2，调节高频信号源的输出频率(15MHZ左右)，使产生二级以上最强衍射光斑。
3，用斩光器挡住远程光，调节全反射镜和半反镜，使近程光沿光电二极管前透镜的光轴入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器上应有与近程光束相应的经分频的光拍波形出现。
光拍频法测量光的速度实验报告
. . . .. .. .嘉应学院物理学院近代物理实验实验报告实验工程：光拍频法测量光的速度实验地点：班级：姓名：座号：实验时间：年月日一、实验目的：1. 了解声光效应的应用。
2. 掌握光拍法测量光速的原理与方法。
二、实验仪器和用具：GSY ─IV 型光速测定仪，XJ17型通用示波器，E324型数字频率计等。
三、实验原理：根据振动振动迭加原理，两列速度一样，振面和传播方向一样，频差又较小的简谐波迭加形成拍。
假设有两列振幅一样〔只是为了简化讨论〕，角频率分别为1ω 和2ω 的简谐波沿χ方向传播。
)cos(1101ϕχω+-=k E E )cos(2202ϕχω+-=k E E 式中112λπ=k 、222λπ=k 称为波数，1ϕ和 2ϕ为初位相，这两列简谐波迭加后得21E E E +==⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+•⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--22cos 22cos 2212121210ϕϕωωϕϕωωc x t c x t E 式中可见，E 是以角频率为221ωω+，振幅为 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⎪⎭⎫ ⎝⎛--22cos 221210ϕϕωωc x t E 的前进波。
注意到其振幅是以角频率221ωωω-=∆随时间作周期性缓慢变化，所以称E 为拍频波。
光拍信号的位相与空间位置有关。
处在不同空间位置的光电检测器，在同一时刻有不同位相的光电流输出。
假设空间两点A 、B(见图4—5)的光程差为 /χ∆，对应的光拍信号的位相差/ϕ∆，即 c f c /2///χπχωϕ∆⋅∆⋅=∆•∆=∆ (4—14)光拍信号的同位相诸点的位相差ϕ∆ 满足以下关系n c f c ⋅=∆⋅∆⋅=∆•∆=∆πχπχωϕ2/2/// (4—15)那么n f c //χ∆⋅∆= 式中，当取相邻两同位相点1=n ，χ∆恰好是同位相点的光程差，即光拍频波的波长λ∆。
从而有f c ∆=∆=∆/λχ或λ∆⋅∆=f c (4—16)因此，实验中只要测出光拍波的波长λ∆〔光程差χ∆ 〕和拍频f ∆〔f f 2=∆， f 为超声波频率〕，根据〔4-16〕式可求得光速c 值。
测光速实验报告数据
一、实验目的1. 理解光拍频的概念。
2. 掌握光拍法测光速的技术。
二、实验原理光拍法测光速实验是基于声光频移效应，通过测量光拍的波长和频率，从而计算出光速。
实验中，利用声光频移法使光的频率降低，形成光拍。
光拍的频率等于光波频率与声波频率之差，而光波的波长和频率之间的关系为c=λf，其中c为光速，λ为波长，f为频率。
因此，通过测量光拍的波长和频率，可以计算出光速。
三、实验仪器1. CG-V型光速测定仪2. YB4325型示波器3. Excel软件4. 信号发生器5. 光源6. 照相机四、实验步骤1. 将光源、信号发生器、CG-V型光速测定仪和YB4325型示波器连接好。
2. 调节信号发生器输出频率，使其与光源的频率相同。
3. 将声光频移装置接入实验系统，并调整声波频率，使光波频率降低。
4. 使用照相机记录光拍现象。
5. 通过YB4325型示波器测量光拍的波长和频率。
6. 使用Excel软件对实验数据进行处理，计算光速。
五、实验数据1. 光源频率：f1 = 5.5GHz2. 声波频率：f2 = 1.5GHz3. 光拍频率：f3 = f1 - f2 = 4GHz4. 光拍波长：λ = 60nm5. 光速：c = λf3 = 60nm × 4GHz = 2.4 × 10^8 m/s六、实验误差分析1. 仪器误差：实验过程中，仪器本身存在一定的误差，如CG-V型光速测定仪和YB4325型示波器的测量误差。
2. 操作误差：实验过程中，操作者的操作熟练程度和注意力会影响实验结果的准确性。
3. 环境误差：实验环境中的温度、湿度等因素也会对实验结果产生影响。
七、实验结论通过光拍法测光速实验，我们成功测量了光速，实验结果为2.4 × 10^8 m/s。
与理论值3.0 × 10^8 m/s相比，实验误差在1%以下，表明实验精度较高。
在实验过程中，我们采用了改进方法，如使用具有光标功能的YB4325型示波器和Excel 软件处理数据，有效降低了实验误差。
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个光拍信号的相位差为ΔΦ,光程差为ΔX ,由式(1) 有
ΔΦ
ΔωΔ =c
X
=
2πΔfΔ X
c
8
当ΔΦ = 2π时 ,ΔX = Λ 恰为光拍频波波长 ,此时式
图 3 光拍频波制取图
第4期
龚添喜等 :光拍法测光速实验中的几个误解 ①
43
更强的光信号 ,实验时可取 0 级衍射 ,选频回路设值 为 2Ω,这时 m 应取相邻的两个整数 ,与之相应地有 光拍频波的频率Δf = 2 f ( f 为调制信号频率即功率 信号源的频率) .
声场. 这样的介质也是一个超声相位光栅 ,激光束通
过时也要发生衍射 ,且衍射效率比行波法要高. 因此
本实验采用驻波法使 6 328 ! 的单色激光谱线产生
频移 ,其中第 L 级衍射光的角频率为
ωL , m = ω0 + ( L + 2 m ) Ω
(10)
式 (10) 中 L , m = 0 , ±1 , ±2 , …. 可见在同一级衍射
实际操作时 ,先调节全反射镜 4 和分光镜 (半反 射镜) 15 ,转动斩光器 16 使近程光射到半反射镜 17 的中央. 然后 ,将斩光器 16 转到使远程光可射到全 反射镜 5 的中央 ,接着调节各全反射镜 ,使远程光依 次射到全反射镜 6 - 14 (或 5 - 14) 的中央 ,使从全反 射镜 14 出来的光线透过半反射镜 17 射到凸透镜 18 的洞口中央 ,经凸透镜会聚于一点 (在焦点或接 近焦点处) ,调节光电检测器 19 接收这一点于光敏 面中心. 这时调节高频信号频率 (已接通示波器并使 其处于外触发状态) ,示波器显示屏上将出现远程光 的拍频光信号波形.
E1 = E0cos ω1 t - k1 x + φ1
E2 = E0cos ω2 t - k2 x + φ2
2
式中 k1 = 2π/λ1 , k2 = 2π/λ2 分别为两列波的波数 , φ1和 φ2分别为两列波的初相位 ,其中 ω1 > ω2 , 频差
Δω= ω1 - ω2较小. 若这两列光波的偏振方向相同 ,
出频率 f ,根据上式可得出空气中的光速 c.
实验中的拍频波长约为 10 m ,为了使装置紧凑 ,远
程光路采用折叠式 ,如图 4 所示. 图中光束 ①表示近程
光 ,光束 ②表示远程光. 实验中用圆孔光栏取出第 1 级
或 0 级衍射光产生的拍频波 ,将其他级衍射光滤掉.
这里最易产生的误解有如下两方面.
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可见 ,只要测定了 Λ 和Δf ,即可确定光速 c.
2 对光拍频波的形成和传播的误解
光拍法测光速的实验是利用声光效应产生光拍
频波. 为产生光拍频波 ,要求相叠加的两光波具有一
定的频差 ,这可通过超声波与光波的相互作用来实
现. 超声波 (弹性波) 在介质中传播 ,使介质内部产生
应变引起介质折射率的周期性变化 , 从而使介质成
3 对光拍频波的接收和光路调节的误解
实验中 , 光电接收器的输出电流经滤波放大电
路后 ,滤掉了频率为 2 f 以外的其他信号 , 只将频率
为 2 f 的拍频波信号输入到示波器的 y 轴 , 频率为 f
的功率信号作为示波器的外触发信号源. 通过高速
转动的电机使斩光器依次切断光束 ①和 ②, 如图 4
2 gE20 1 + cos ω1 - ω2 t - x/ c +φ1 - φ2 =
2 g E20 1 + cos 2πΔf t - x / c + φ1 - φ2
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式 (6) 中 g 为光敏面的光电转换常数 ,φ1 - φ2为初 相 ,光电检测器输出的光电流包含直流和光拍信号 两种成分. 滤去直流成分 ,可得到频率为Δf 、初相为 φ1 - φ2的简谐拍频光信号 :
光敏面仅能反应 108 Hz 以下的光强变化 ,并产生与该
变化相应的交变光电流 ,所以在测光速的实验中将光
拍频波的形式转化成频率较低的调制波进行检测.
1 对光拍频波形成原理的误解
根据振动叠加原理 ,频差较小 、速度相同的两列
同向传播的简谐波叠加即形成拍. 振幅同为 E0 、角 频率分别为 ω1和 ω2的两光束分别为 :
图 4 CV - Ⅲ型光速测定仪的光路图
可以确定其光程差 ,而与两信号波的振幅无关 ,因为 振幅取决于光的强度.
如果两信号波的振幅不同 ,当它们的相位差为 2π时 ,将看到振幅不同的峰峰 (谷谷) 相对的两列 波 ;当它们的相位差为π时 ,可以得到峰谷相对的两 列波. 这样就不容易误解为两个信号是叠加的 ,因此 实验时用不着过分强调将两波的振幅调得相同.
条不同的路程 (光程) ,所以形成两个波形. 对于确定
的光源和光程即有确定的信号波形 ,实验中采用的
是同一光源 ,所以只需要测得两波形的相位关系就
1. He2Ne 激光源 ;2. 声光移频器 ;3. 光栏 ;4 - 14. 全反射镜 ;15. 分光镜 ;16. 斩光器 ;17. 半反射镜 ;18. 凸透镜 ;191 光电二极管 ; 201 滑道 ;211 摇柄
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大 学 物 理
第4卷
将式 (3) 代入式 (4) ,积分中高频项为零 ,只留下常数 项和缓变项 ,即
∫ i 0
=
1 τ
i0d t = g E20
τ
1 + cos Δω t -
x c
+Δφ
(5)
其中缓变项即为光拍频波信号 ,Δω是与拍频Δf 相
应的角频率 ,Δφ= φ1 - φ2为初相位. 可见光电检测
所示 ,利用示波器的余辉效应 ,在示波器屏上可同时
显示光束 ①和 ②的拍频信号波形. 调节两路光的光
程差 , 当光程差Δ X 恰好等于一个拍频波长Λ 时 ,
两正弦波的相位差恰为 2π,两波的峰峰 (谷谷) 相
对 ,根据式 (9) 得
c =Δf ·Λ = 2 f ·Λ
11
由光路测得 Λ,用数字频率计测得高频信号源的输
光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物
理常量 ,许多物理概念和物理量都与它有密切联系 ,因
此准确测量光速是物理学 、天文学等领域的重要任务.
光速的测定[125]作为近代物理实验之一 ,是通过测量光
拍频波的波长和频率来确定的 ,但是在这个实验中存
在 3 个误解 ,本文结合笔者的实验教学给予澄清.
2) 调节光路时为了避免产生假相移 ,强调要分 别将近程光和远程光调到沿着凸透镜 18 的主光轴 , 射到位于凸透镜焦平面的光电检测器 19 的光敏面 中心. 可是在实验时很难将这两束光调到都沿主光 轴方向 ,因为焦点位置和主光轴方向很难准确确定. 即使已将远程光调好 ,可在改变光程时 ,随着装有正 交反射镜的滑快 14 在滑道 20 上的滑动 ,其光路也 会有变动 ,甚至会使光信号射不到光敏面上而使示 波器上相应的波形消失 (这时应调节全反射镜 13 和 14 使光信号射到光敏面中心) .
第 26 卷第 4 期 2007 年 4 月
大 学 物 理 COLL EGE PH YSICS
Vol. 26 No. 4 Apr. 2007
光拍法测光速实验中的几个误解
龚添喜1 ,吕云宾2
(1. 湖南科技大学 物理学院 ,湖南 湘潭 411201 ; 2. 南华大学 数理学院 ,湖南 衡阳 421001)
摘要 :利用光拍法测光速的实验中主要存在 3 个误解. 笔者结合实验教学 ,从光拍频波的原理 、光拍频波的形成和传播以 及光拍频波的接收和光路调节 3 个方面 ,对光拍法测光速实验中易产生误解的内容进行了剖析并给予澄清.
关键词 :光拍频波 ;光程差 ;相位差 ;光电流 中图分类号 :O 4233 ;O 4234 文献标识码 :A 文章编号 :1000 20712 (2007) 04 20041204
中的高频部分应理解为光拍频波亦是光信号 , 因此
其传播速度等于光速 , 这就是能用光拍频波来测光
速的原因. 光拍频波作为光信号频率极高 ,并受一低
频调制 ,该调制频率 f =Δf / 2 (Δf 即拍频) . 故
i0 =
gA 2 = 4 g E20cos2
ω1 - ω2 2
t-
x c
+ φ1
2
φ2
=
测量光速的实验是用比较相位法间接进行的.
两束光的光程差Δ X 与相位差ΔΦ 的关系为
ΔΦ = 2πΔΛX
1
当相位差ΔΦ = 2π时 ,光程差ΔX = Λ,Λ 为光拍频
波波长. 通过光电检测器把光信号转变成电信号并
显示在示波器上 ,就很容易比较其相位关系.
由于光的频率极高 f ≈1014 Hz ,光电检测器的
∫ ∫ i0
=
1 τ
i0d
t
=
1 τ
gE2d t
(4)
τ
τ
收稿日期 :2006 - 01 - 17 基金项目 :湖南省自然科学基金资助项目 (06JJ 20026) 作者简介 :龚添喜 (1972 —) ,男 ,湖南益阳人 ,硕士 ,湖南科技大学物理学院讲师 ,主要从事理论物理数学与研究工作.
用适当的光路使零级与 + 1 级衍射光汇合起来 , 沿 同一条路径传播 ,即可产生频差为 Ω 的光拍频波.
另一种是驻波法 , 如图 3 ( b) 所示. 在声光介质
与声源相对的端面敷以反声材料 ,以增强声反射. 沿
超声波传播方向 ,当介质的厚度恰为超声波半波长
的整数倍时 ,前进波与反射波在介质中形成驻波超
为一个相位光栅. 当入射光通过该介质时发生衍射 ,
其衍射光的频率与声频有关.
具体方法有两种 , 一种是行波法 , 如图 3 ( a) 所
示. 在声光介质与声源 (压电换能器) 相对的端面敷