光拍法測(cè)光速

1、光拍法測(cè)量光速前言光在真空中的傳播速度是一個(gè)重要的基本物理常數(shù)，許多重要的物理概念和物理量都與它有密切的關(guān)系。麥克斯韋的光的電磁理論中的常數(shù)c,一方面等于電荷的電磁單位與靜電單位的比值,另一方面它又預(yù)示了電磁場(chǎng)的傳播速度,即電磁波以光速傳播,光是一種電磁波.此后首先被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。歷史上圍繞運(yùn)動(dòng)介質(zhì)對(duì)光的傳播速度的影響問(wèn)題，曾做過(guò)許多重要實(shí)驗(yàn)；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上和理論上作過(guò)各種探討，最終導(dǎo)致了愛(ài)因斯坦相對(duì)論的建立。光的速度與許多物理量有關(guān)，例如電磁學(xué)中的真空電容率0與真空磁導(dǎo)率0，里德伯常數(shù)R，質(zhì)子、中子、電子、子等基本粒子的質(zhì)量等。因此光速值的精確測(cè)量將關(guān)系到許多物理量值精度的提高，它是一項(xiàng)十

2、分重要的課題。自17世紀(jì)伽利略第一次測(cè)定光速以來(lái)，在各個(gè)時(shí)期，人們都用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)和方法來(lái)測(cè)量光速。1941年美國(guó)人安德森用電光調(diào)制法，即利用克爾盒作為一個(gè)光開(kāi)關(guān)，調(diào)制光束，使光強(qiáng)產(chǎn)生1.9×107赫的變化，測(cè)得光速值為2.99766×108m/s。此值的前四位與現(xiàn)在的公認(rèn)值一致。1966年卡洛路斯，赫姆伯格用聲光頻移法，產(chǎn)生光拍頻波，測(cè)量光拍頻波的波長(zhǎng)和頻率，測(cè)得光速c=(299,792.47±0.15)×103m/s。1970年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和美國(guó)國(guó)立物理實(shí)驗(yàn)室最先用激光作了光速測(cè)定。根據(jù)波動(dòng)基本公式c=，之間測(cè)量光波波長(zhǎng)與光波頻率而求得c的數(shù)值

3、。光的波長(zhǎng)是用邁克耳孫干涉儀來(lái)直接測(cè)定;光波的頻率是通過(guò)一系列混頻、倍頻、差頻技術(shù)，利用較低頻率的電磁波去測(cè)量較高頻率，再以較高頻率測(cè)量更高頻率，最后達(dá)到測(cè)得光頻的目的。因此，于1975年第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)提出了真空中光速為：c=(299,792,458±1) m/s。1983年國(guó)際計(jì)量局召開(kāi)的第七次米定義咨詢委員會(huì)和第八次單位咨詢委員會(huì)決定，以光在真空中秒時(shí)間間隔內(nèi)所傳播的距離，作為長(zhǎng)度單位米的定義。這樣，光速c=(299,792,458m/s就成了定義性常數(shù)，這個(gè)值被定義為精確值。直到現(xiàn)在，不少科學(xué)發(fā)達(dá)的國(guó)家仍集中了一批優(yōu)秀的科學(xué)家，在提高光速的精確度方面進(jìn)行著工作。本實(shí)驗(yàn)是用

4、聲光頻移法獲得光拍，通過(guò)測(cè)量光拍的波長(zhǎng)和頻率，來(lái)確定光速。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)光拍法測(cè)光速的原理和實(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)對(duì)聲光效應(yīng)有一初步的了解。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)光拍的波長(zhǎng)和頻率來(lái)確定光速，掌握光拍頻法測(cè)量光速的原理和實(shí)驗(yàn)方法，并對(duì)聲光效應(yīng)有初步了解。二、 實(shí)驗(yàn)儀器：GSY-IV型光速測(cè)定儀、示波器、數(shù)字頻率計(jì)。三、 原理和方法：（一） 儀器裝置圖：1、GSY-IV型光速測(cè)定儀原理方框圖： 圖一2、G-IV型光速測(cè)定儀光路圖：滑動(dòng)平臺(tái)光電接收盒半反鏡斬光器半反鏡聲光移頻器He-Ne激光器 圖二（二）光拍的產(chǎn)生與傳播根據(jù)振動(dòng)疊加原理，兩列速度相同、振面相同、頻率較小而同向傳播的簡(jiǎn)諧波疊加即形成拍。若有振幅

5、相同為E0、圓頻率分別為1和2（頻差=1-2較?。┑膬闪醒豿軸方向傳播的平面光波： 若這兩列光的偏振方向相同，則疊加后的總場(chǎng)為：上式是沿x軸方向的前進(jìn)波，其圓頻率為，振幅為： E的振幅是時(shí)間和空間的函數(shù)，以頻率周期性的變化，稱(chēng)這種低頻率的行波為光拍頻波，就是拍頻,振幅的空間分布周期就是拍頻波長(zhǎng)，以表示。 E1+E2 圖三用光電探測(cè)器接收光的頻波，探測(cè)器光敏面上光照反應(yīng)與光強(qiáng)（即電場(chǎng)強(qiáng)度的平方）成反比。由于光波頻率f0高達(dá)1014Hz，光敏面來(lái)不及反映如此快的光強(qiáng)變化，迄今為止能反映頻率108Hz左右的光強(qiáng)變化（其響應(yīng)時(shí)間為10-8秒）。因此，任何探測(cè)器所產(chǎn)生的光電流只能是在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均值。

6、 式中g(shù)為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換常數(shù)，是與拍頻相應(yīng)的圓頻率，為初相位。在某一時(shí)刻，光電流的空間分布()為正弦波，x方向上兩相鄰波谷之間的距離為，探測(cè)器輸出的光電流含有直流和光拍信號(hào)兩種成分。將直流成分濾掉，即得頻率為拍頻的光拍信號(hào)。光拍信號(hào)的位相又與空間位置x有關(guān)，即處在不同位置的探測(cè)器所輸出的光拍信號(hào)具有不同的位相。設(shè)空間某兩點(diǎn)之間的光程差為，該兩點(diǎn)的光拍信號(hào)的位相差為，根據(jù)上式應(yīng)有： 如果將光拍頻波分為兩路，使其通過(guò)不同的光程后如射同一光電探測(cè)器，則該探測(cè)器所輸出的兩個(gè)光拍信號(hào)的位相差與兩路的光程差之間的關(guān)系仍由上式確定。當(dāng)時(shí)，即光程差恰為光拍波長(zhǎng)，有： 只要測(cè)定了和，即可確定光速c。 為高頻信

7、號(hào)發(fā)生器的輸出頻率。此時(shí)測(cè)出的光速是光在空氣中的速度，若計(jì)算真空中的光速，應(yīng)乘以空氣的折射率，空氣的折射率由下式確定： 式中n是空氣的折射率，t是室溫（0c）,p是氣壓（），e是水蒸汽壓（），=(1/273)0c,p0=760,b=5.510-8-1,ng由下式?jīng)Q定： 其中，A=2876.0410-7,B=16.28810-7,C=0.13610-7,為載波波長(zhǎng)，單位為。對(duì)于氦氖激光器，=632.8nm。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、 按G-IV型光速測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)裝置圖連接線路，接通激光電源，調(diào)節(jié)電流至5mA左右。接通直流穩(wěn)壓電源，預(yù)熱一定時(shí)間后，調(diào)節(jié)功率信號(hào)源的輸出頻率至聲光頻移器的工作頻率，使衍射光最

8、強(qiáng)。2、調(diào)整光路，調(diào)節(jié)圓孔光闌，使1級(jí)或0級(jí)衍射光通過(guò)。依次調(diào)節(jié)各全反鏡的調(diào)整架，使遠(yuǎn)程和近程兩光束在同一水平面內(nèi)反射、傳播，最后垂直入射到光電接收器的光敏面上。調(diào)節(jié)斬光的位置和高低，使兩光束均能從斬光器的開(kāi)槽中心通過(guò)。3、常規(guī)調(diào)節(jié)示波器后，調(diào)節(jié)斬光器，遮斷遠(yuǎn)程光而使近程光的光拍信號(hào)波形出現(xiàn)，微調(diào)功率信號(hào)源頻率，使波形幅度最大。再將斬光器轉(zhuǎn)至使遠(yuǎn)程光通過(guò)的位置，觀察遠(yuǎn)程光的光拍信號(hào)波形是否與近程光的幅度相等，如不相等，可調(diào)節(jié)最后一個(gè)半反鏡的傾角，以改變遠(yuǎn)程光進(jìn)入接收器的光通量，使兩波形的幅度相等（若遠(yuǎn)程光因發(fā)散強(qiáng)度太小，必要時(shí)還可在接收器外的光路上加一個(gè)會(huì)聚透鏡，將遠(yuǎn)程光會(huì)聚起來(lái)入射到接收器）。4、調(diào)節(jié)斬光器的微電機(jī)的直流電壓，即調(diào)節(jié)斬光器的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí)，在示波器屏上同時(shí)顯示兩個(gè)正弦波，若波形的幅度不相等，可微調(diào)最后一個(gè)半反鏡的傾角，前后移動(dòng)導(dǎo)軌上的正交反射鏡，改變兩路光的光程差，使示波器上兩波形重合。此時(shí)，兩路光的光程差即為拍頻波長(zhǎng)。5、測(cè)量拍頻波長(zhǎng)，并用數(shù)字頻率計(jì)精確測(cè)定功率信號(hào)源的輸出頻率f。反復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算He-Ni激光在空氣中的傳播速度，求取平均值及