光速测量发展史与现在实验室光速测量方法

究竟光是什么？
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。
光速测量的方法
一、伽利略首先提出了光速的测量，但失败了。（1607） 二、天文测定光速 1.罗默的卫星蚀法（1676） 2.布莱德雷的光行差法（1728） 点评：由于当时天文仪器并无现在先进，且凭肉眼观察误差较大，所以测 得的值都不精确 三、大地测定光速（以光行过的路程和时间得出速度c=s/t） 1.斐索旋转齿轮法（ 1849） 2.惠更斯旋转镜法（ 1834） 3.迈克尔逊旋转棱镜法（ 1926） 点评：想要得到越精确的值，就要尽量增大s和t，故实际操作繁琐和精确 度不大是必然的。 四、实验室测光速法（c= λ ƒ） 1.埃森微波谐振腔法（1950） 2.激光法测光速 点评：是目前最普遍也是最准确测量光速的方法，也是本实验的思想方法。
10.07
2.98x10⁷ 3.000x10⁸
10.09
2.98x10⁷ 3.007x10⁸
c 3 . 02 10 m / s
E c测 c标 c标 100 % 0 . 7 %
△
仪
L 10 . 134 m
钢尺的仪器误差：
0 .5 mm
S L

2
( xi X ) n 1
2
0 . 066 m
u L
S (
仪 3
） 0 . 066 m
2
L L 2 u (10 . 13 0 . 07 ) m
C ( 3 . 02 0 . 03 ) 10 m / s
8
△误差分析 （1）由于计算时数值的近似取值而产生的理论误差与方法误差； （2）仪器误差，光速测定仪本身存在的仪器误差； （3）由于远程光在空气中经过多次反射，能量消耗，且光路调整并非完全精 确，致使在示波器上显示的波形图较为模糊，所以在移动滑动平台时不能准确 判定两列波的重合位置； （4）因为其理论值是在真空环境中所得，而实验室为标准大气压下所测得的 值，其速度应小于理论值，但反观测量值却大于理论值，究其原因可能是实验 中的人为误差所造成的； （5）钢尺的量程只有1米，所以在测量光程差时，两根钢尺在衔接上会有疏忽， 造成测量的误差。
实验技巧分析： （1）调节各个透镜的螺旋时，应该轻缓。因为透镜上螺旋的细小变化对光路 的变化都影响很大。 （2）若在调节近程光时，就发现示波器上没有显示波形或者显示的波形并不 清楚时，则需观察接收盒所接受的光源是否汇聚于一点，若不是，则需再次 调节靠近斩光片附近的反光镜（主要）和调节接受器上的焦距，直至光线汇 聚成一点为止。 （3）在进行光路调节时，由于在灯光下操作实验，故光源在反光镜上显示并 不清楚，所以可以用加透明塑料片的方法来明确光点的位置。 （4）在用钢尺进行拍光法测量光程差时，分清光的实际距离是关键，因此起 始和末端若为了防止损坏仪器，都应该提高相同的距离，且多次测量。
光拍法测光速的思想以及延伸
△实验思想的启迪
化烦为易，化整体为部分，使一些看似不可能的事情成为可能。从光 拍法测光速这个实验中，令我想到了曹冲称象的故事。由于光速的频 率高达10¹⁴，目前的仪器设备无法达到如此高的测量水平。故人们想 到了在不破坏其原有频率的情况下，用“拍”的方法使其降到可以测 量的水平值。在日常的学习，当我们碰到一些无法用直接或者说现成 的方法解决时，应该试图寻找新的途径。在生活中，这种思想的理解 和运用尤为显得突出。
一、光及光速测量的发展史
• 古代中国对于光的认识
• 西方人对于光的认识
• 光速测量的发展史
古代中国
“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）
实验原理及装置
本实验装置原理图
实验装置：一、光速测定仪（激光器、光程差台、示波器） 二、钢尺
实验光路图
实验步骤
（1）调节激光器工作电流在5mA左右 （2）细心调节超声波频率，调节激光束，通过声光介质并与驻声场充分互相作用 （可通过调节频移器底座上的螺丝完成）使之产生二级以上明显的衍射光斑。 （3）用光阑选取所需的（零级或一级）光束，调节斩光拍附近两个反光镜，使光 能按预定要求的光路进行。 （4）移动斩光片，使进程光和远程光都能进入接收器，并在示波器上形成清晰地 波形。 （5)接通斩光器电源开关，示波器上将显示相位不同的两列正弦波形。
三、实验心得
• 拍光法测光速实验的实际意义
• 拍光法测光速的思想以及延伸
拍光法测光速实验的实际意义
利用拍光法测光速，很好的解决了实验室测量光速值的困 难。让我们学生了解了其光速同样也是一个有限的值，并 可以通过自己动手进行测量。虽然我们并不能够完全掌握 其原理部分的推导和技巧，但光拍法测量光速的大致思想 是我们值得学习和借鉴的。尤其是在实验的光路调节中， 很好的锻炼了我们每个学生的耐心和细心。同时，在光程 差的测量中，也锻炼了相互同学之间的协作意识。
光速的测量
参考文献：《新编大学物理实验教程》浙江大学出版社 陈守川 杜金潮 沈剑峰 编 《近代物理实验》 科学出版社 邬鸿彦 朱明刚 主编 《文明之源——物理学》上海科学与技术出版社 吴翔 沈葹 陆徧征 羊亚平 吴於人 编 网络资源：西安交通大学物理实验精品课程 百度知道
指导老师： PPT整理： 2010 年 6 月
实验误差分析
△数据记录与处理
已知光速：2.998×10⁸ m/s
n 1 2
高频信号发生器输出频率 14.9MHz
3 4 5
△L（m）
ƒ（Hz） C=λƒ （m/s)
10.14
2.98x10⁷ 3.022x10⁸
8
Biblioteka Baidu
10.24
2.98x10⁷ 3.052x10⁸
10.13
2.98x10⁷ 3.019x10⁸
西方历史中对光的认识
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）
谢 谢！
（6）移动滑动平台，改变两光束的光程差，使两列光拍信号相同，此时的 光程差△ λ。 （7）精确测量两光束的光程，求出它们的光程差，从频率计测出超声波的 频率。 （8）提高实验精度，防止假相移的产生。 为了提高实验的精度，除准确测量超声波频率和光程差外，还要注意对二 束光位相得精确比较。如果实验中调试不当。可能会产生虚假的相移，结果 影响实验的精度。 检查是否产生虚假相移的办法是分别遮挡远、近程光，观察两路光束在光 敏面上反射的光是否经透镜后都成像于光抽上。
二、拍光法测光速
• • • • • 学习目标 实验原理及装置 实验步骤 实验难点及技巧 实验误差分析
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学习目标：
1、进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的 技术， 了解声光调制器的应用； 2、体会到光速也是一个有限值，并了解光年是一个空间 量； 3、进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。
实验难点及技巧
难点分析： （1）调节光路是本实验的最难点。首先要保证近远程光都能准确无误 的抵达接收器。这就需要我们耐心细致的对每一个反光镜进行调节。 然当近远程光抵达接收器后，示波器的屏幕上并没有显示波形或者显 示的波形并不清楚，这时就需要再次调节光路，尤其是第一面和最后 一面反光镜。 （2）光程差的测量也是本实验的一个难点。由于装置上的零部件比较 密集，而测量工具用的是量程为1米的钢尺，所以很多数据都需要由两 根钢尺拼接进行测量。并且，光路的实际反射点的准确测量是产生误 差主要原因之一。