光拍法測光速

1、光拍法測量光速前言光在真空中的傳播速度是一個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驗所證實。歷史上圍繞運動介質(zhì)對光的傳播速度的影響問題，曾做過許多重要實驗；同時在實驗上和理論上作過各種探討，最終導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的建立。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量將關(guān)系到許多物理量值精度的提高，它是一項十

2、分重要的課題。自17世紀(jì)伽利略第一次測定光速以來，在各個時期，人們都用當(dāng)時最先進的技術(shù)和方法來測量光速。1941年美國人安德森用電光調(diào)制法，即利用克爾盒作為一個光開關(guān)，調(diào)制光束，使光強產(chǎn)生1.9×107赫的變化，測得光速值為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，測量光拍頻波的波長和頻率，測得光速c=(299,792.47±0.15)×103m/s。1970年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局和美國國立物理實驗室最先用激光作了光速測定。根據(jù)波動基本公式c=，之間測量光波波長與光波頻率而求得c的數(shù)值

3、。光的波長是用邁克耳孫干涉儀來直接測定;光波的頻率是通過一系列混頻、倍頻、差頻技術(shù)，利用較低頻率的電磁波去測量較高頻率，再以較高頻率測量更高頻率，最后達到測得光頻的目的。因此，于1975年第十五屆國際計量大會提出了真空中光速為：c=(299,792,458±1) m/s。1983年國際計量局召開的第七次米定義咨詢委員會和第八次單位咨詢委員會決定，以光在真空中秒時間間隔內(nèi)所傳播的距離，作為長度單位米的定義。這樣，光速c=(299,792,458m/s就成了定義性常數(shù)，這個值被定義為精確值。直到現(xiàn)在，不少科學(xué)發(fā)達的國家仍集中了一批優(yōu)秀的科學(xué)家，在提高光速的精確度方面進行著工作。本實驗是用

4、聲光頻移法獲得光拍，通過測量光拍的波長和頻率，來確定光速。通過實驗，學(xué)習(xí)光拍法測光速的原理和實驗方法，同時對聲光效應(yīng)有一初步的了解。一、 實驗?zāi)康模和ㄟ^光拍的波長和頻率來確定光速，掌握光拍頻法測量光速的原理和實驗方法，并對聲光效應(yīng)有初步了解。二、 實驗儀器：GSY-IV型光速測定儀、示波器、數(shù)字頻率計。三、 原理和方法：（一） 儀器裝置圖：1、GSY-IV型光速測定儀原理方框圖： 圖一2、G-IV型光速測定儀光路圖：滑動平臺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，則疊加后的總場為：上式是沿x軸方向的前進波，其圓頻率為，振幅為： E的振幅是時間和空間的函數(shù)，以頻率周期性的變化，稱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，以表示。 E1+E2 圖三用光電探測器接收光的頻波，探測器光敏面上光照反應(yīng)與光強（即電場強度的平方）成反比。由于光波頻率f0高達1014Hz，光敏面來不及反映如此快的光強變化，迄今為止能反映頻率108Hz左右的光強變化（其響應(yīng)時間為10-8秒）。因此，任何探測器所產(chǎn)生的光電流只能是在響應(yīng)時間內(nèi)的平均值。

6、 式中g(shù)為探測器的光電轉(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，探測器輸出的光電流含有直流和光拍信號兩種成分。將直流成分濾掉，即得頻率為拍頻的光拍信號。光拍信號的位相又與空間位置x有關(guān)，即處在不同位置的探測器所輸出的光拍信號具有不同的位相。設(shè)空間某兩點之間的光程差為，該兩點的光拍信號的位相差為，根據(jù)上式應(yīng)有： 如果將光拍頻波分為兩路，使其通過不同的光程后如射同一光電探測器，則該探測器所輸出的兩個光拍信號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，即光程差恰為光拍波長，有： 只要測定了和，即可確定光速c。 為高頻信

7、號發(fā)生器的輸出頻率。此時測出的光速是光在空氣中的速度，若計算真空中的光速，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，單位為。對于氦氖激光器，=632.8nm。四、 實驗步驟：1、 按G-IV型光速測定儀實驗裝置圖連接線路，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)熱一定時間后，調(diào)節(jié)功率信號源的輸出頻率至聲光頻移器的工作頻率，使衍射光最

8、強。2、調(diào)整光路，調(diào)節(jié)圓孔光闌，使1級或0級衍射光通過。依次調(diào)節(jié)各全反鏡的調(diào)整架，使遠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槽中心通過。3、常規(guī)調(diào)節(jié)示波器后，調(diào)節(jié)斬光器，遮斷遠程光而使近程光的光拍信號波形出現(xiàn)，微調(diào)功率信號源頻率，使波形幅度最大。再將斬光器轉(zhuǎn)至使遠程光通過的位置，觀察遠程光的光拍信號波形是否與近程光的幅度相等，如不相等，可調(diào)節(jié)最后一個半反鏡的傾角，以改變遠程光進入接收器的光通量，使兩波形的幅度相等（若遠程光因發(fā)散強度太小，必要時還可在接收器外的光路上加一個會聚透鏡，將遠程光會聚起來入射到接收器）。4、調(diào)節(jié)斬光器的微電機的直流電壓，即調(diào)節(jié)斬光器的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)達到一定速度時，在示波器屏上同時顯示兩個正弦波，若波形的幅度不相等，可微調(diào)最后一個半反鏡的傾角，前后移動導(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，兩路光的光程差即為拍頻波長。5、測量拍頻波長，并用數(shù)字頻率計精確測定功率信號源的輸出頻率f。反復(fù)進行多次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)，計算He-Ni激光在空氣中的傳播速度，求取平均值及