光速測量發(fā)展史與現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室光速測量方法

1、光速測量發(fā)展史與現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室光速測量方法2022/9/2第1頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一一、光及光速測量的發(fā)展史古代中國對于光的認(rèn)識西方人對于光的認(rèn)識光速測量的發(fā)展史第2頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一“景，光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝下光，故景障內(nèi)也?！?墨經(jīng)（光的直線傳播）“陽艘向日照之.則 光聚向內(nèi)，離鏡一二寸，光聚為一點(diǎn)，大如麻 寂，著物則火發(fā)；陽健面洼，以一指迫而照 之則正，漸遠(yuǎn)則無所見，過此遂倒?！?夢溪筆談（小孔成像）古代中國第3頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一西方歷史中對光的認(rèn)識崐神說，

2、要有光，就有了光。 圣經(jīng)光是由發(fā)光體向四面八方射出的一種東西，這種東西碰到障礙物上就立刻被彈開。如果它偶然進(jìn)入人的眼睛，就叫人感覺到看見使它最后被彈開的那個(gè)東西。 畢達(dá)哥拉斯光的顆粒說。 牛頓（1643-1727）光的波動(dòng)說。 胡克（1635-1703）光是電磁波。 赫 茲（1857-1894）粒子說。 愛因斯坦（1879-1955）光在近代物理學(xué)發(fā)展過程中的認(rèn)識第4頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一究竟光是什么？現(xiàn)代科學(xué)的認(rèn)為：光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜）。在科學(xué)上的定義，光有時(shí)候是指所有的電磁波譜。光是由一種稱為光子的基本粒子組成。具有粒子性與波動(dòng)性，或

3、稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。 第5頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一光速測量的方法一、伽利略首先提出了光速的測量，但失敗了。（1607）二、天文測定光速1.羅默的衛(wèi)星蝕法（1676）2.布萊德雷的光行差法（1728）點(diǎn)評：由于當(dāng)時(shí)天文儀器并無現(xiàn)在先進(jìn)，且憑肉眼觀察誤差較大，所以測得的值都不精確三、大地測定光速（以光行過的路程和時(shí)間得出速度c=s/t）1.斐索旋轉(zhuǎn)齒輪法（ 1849）2.惠更斯旋轉(zhuǎn)鏡法（ 1834）3.邁克爾遜旋轉(zhuǎn)棱鏡法（ 1926）點(diǎn)評：想要得到越精確的值，就要盡量增大s和t，故實(shí)際操作繁瑣和精確度不大是必然的。四、實(shí)驗(yàn)室測光

4、速法（c= ）1.埃森微波諧振腔法（1950）2.激光法測光速點(diǎn)評：是目前最普遍也是最準(zhǔn)確測量光速的方法，也是本實(shí)驗(yàn)的思想方法。第6頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一二、拍光法測光速學(xué)習(xí)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)原理及裝置實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)及技巧實(shí)驗(yàn)誤差分析7第7頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、進(jìn)一步理解光拍頻的概念、掌握光拍頻法測量光速的技術(shù)， 了解聲光調(diào)制器的應(yīng)用；2、體會(huì)到光速也是一個(gè)有限值，并了解光年是一個(gè)空間量；3、進(jìn)一步學(xué)習(xí)光路的調(diào)整和熟練示波器的使用。第8頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一實(shí)驗(yàn)原理及裝置第9頁，共24頁

5、，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一第10頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一本實(shí)驗(yàn)裝置原理圖第11頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一實(shí)驗(yàn)裝置：一、光速測定儀（激光器、光程差臺、示波器） 二、鋼尺第12頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一 實(shí)驗(yàn)光路圖第13頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一實(shí)驗(yàn)步驟（1）調(diào)節(jié)激光器工作電流在5mA左右（2）細(xì)心調(diào)節(jié)超聲波頻率，調(diào)節(jié)激光束，通過聲光介質(zhì)并與駐聲場充分互相作用（可通過調(diào)節(jié)頻移器底座上的螺絲完成）使之產(chǎn)生二級以上明顯的衍射光斑。（3）用光闌選取所需的（零級或一級

6、）光束，調(diào)節(jié)斬光拍附近兩個(gè)反光鏡，使光能按預(yù)定要求的光路進(jìn)行。（4）移動(dòng)斬光片，使進(jìn)程光和遠(yuǎn)程光都能進(jìn)入接收器，并在示波器上形成清晰地波形。（5)接通斬光器電源開關(guān)，示波器上將顯示相位不同的兩列正弦波形。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一（6）移動(dòng)滑動(dòng)平臺，改變兩光束的光程差，使兩列光拍信號相同，此時(shí)的光程差 。（7）精確測量兩光束的光程，求出它們的光程差，從頻率計(jì)測出超聲波的頻率。（8）提高實(shí)驗(yàn)精度，防止假相移的產(chǎn)生。 為了提高實(shí)驗(yàn)的精度，除準(zhǔn)確測量超聲波頻率和光程差外，還要注意對二束光位相得精確比較。如果實(shí)驗(yàn)中調(diào)試不當(dāng)?？赡軙?huì)產(chǎn)生虛假的相移，結(jié)果影響實(shí)驗(yàn)的精度。

7、 檢查是否產(chǎn)生虛假相移的辦法是分別遮擋遠(yuǎn)、近程光，觀察兩路光束在光敏面上反射的光是否經(jīng)透鏡后都成像于光抽上。第15頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)及技巧難點(diǎn)分析：（1）調(diào)節(jié)光路是本實(shí)驗(yàn)的最難點(diǎn)。首先要保證近遠(yuǎn)程光都能準(zhǔn)確無誤 的抵達(dá)接收器。這就需要我們耐心細(xì)致的對每一個(gè)反光鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)。然當(dāng)近遠(yuǎn)程光抵達(dá)接收器后，示波器的屏幕上并沒有顯示波形或者顯示的波形并不清楚，這時(shí)就需要再次調(diào)節(jié)光路，尤其是第一面和最后一面反光鏡。（2）光程差的測量也是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)。由于裝置上的零部件比較密集，而測量工具用的是量程為1米的鋼尺，所以很多數(shù)據(jù)都需要由兩根鋼尺拼接進(jìn)行測量。并且，

8、光路的實(shí)際反射點(diǎn)的準(zhǔn)確測量是產(chǎn)生誤差主要原因之一。第16頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一實(shí)驗(yàn)技巧分析：（1）調(diào)節(jié)各個(gè)透鏡的螺旋時(shí)，應(yīng)該輕緩。因?yàn)橥哥R上螺旋的細(xì)小變化對光路的變化都影響很大。（2）若在調(diào)節(jié)近程光時(shí)，就發(fā)現(xiàn)示波器上沒有顯示波形或者顯示的波形并不清楚時(shí)，則需觀察接收盒所接受的光源是否匯聚于一點(diǎn)，若不是，則需再次調(diào)節(jié)靠近斬光片附近的反光鏡（主要）和調(diào)節(jié)接受器上的焦距，直至光線匯聚成一點(diǎn)為止。（3）在進(jìn)行光路調(diào)節(jié)時(shí)，由于在燈光下操作實(shí)驗(yàn)，故光源在反光鏡上顯示并不清楚，所以可以用加透明塑料片的方法來明確光點(diǎn)的位置。（4）在用鋼尺進(jìn)行拍光法測量光程差時(shí)，分清光的實(shí)際距

9、離是關(guān)鍵，因此起始和末端若為了防止損壞儀器，都應(yīng)該提高相同的距離，且多次測量。第17頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一實(shí)驗(yàn)誤差分析數(shù)據(jù)記錄與處理已知光速：2.99810 m/s 高頻信號發(fā)生器輸出頻率 14.9MHzn12345L（m）10.1410.2410.1310.0710.09（Hz）2.98x102.98x102.98x102.98x102.98x10C=（m/s)3.022x103.052x103.019x103.000 x103.007x10鋼尺的儀器誤差：第18頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一第19頁，共24頁，2022年，5月20

10、日，5點(diǎn)17分，星期一誤差分析（1）由于計(jì)算時(shí)數(shù)值的近似取值而產(chǎn)生的理論誤差與方法誤差；（2）儀器誤差，光速測定儀本身存在的儀器誤差；（3）由于遠(yuǎn)程光在空氣中經(jīng)過多次反射，能量消耗，且光路調(diào)整并非完全精確，致使在示波器上顯示的波形圖較為模糊，所以在移動(dòng)滑動(dòng)平臺時(shí)不能準(zhǔn)確判定兩列波的重合位置；（4）因?yàn)槠淅碚撝凳窃谡婵窄h(huán)境中所得，而實(shí)驗(yàn)室為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下所測得的值，其速度應(yīng)小于理論值，但反觀測量值卻大于理論值，究其原因可能是實(shí)驗(yàn)中的人為誤差所造成的；（5）鋼尺的量程只有1米，所以在測量光程差時(shí)，兩根鋼尺在銜接上會(huì)有疏忽，造成測量的誤差。第20頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一

11、三、實(shí)驗(yàn)心得拍光法測光速實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義拍光法測光速的思想以及延伸第21頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一拍光法測光速實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義 利用拍光法測光速，很好的解決了實(shí)驗(yàn)室測量光速值的困難。讓我們學(xué)生了解了其光速同樣也是一個(gè)有限的值，并可以通過自己動(dòng)手進(jìn)行測量。雖然我們并不能夠完全掌握其原理部分的推導(dǎo)和技巧，但光拍法測量光速的大致思想是我們值得學(xué)習(xí)和借鑒的。尤其是在實(shí)驗(yàn)的光路調(diào)節(jié)中，很好的鍛煉了我們每個(gè)學(xué)生的耐心和細(xì)心。同時(shí)，在光程差的測量中，也鍛煉了相互同學(xué)之間的協(xié)作意識。第22頁，共24頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)17分，星期一光拍法測光速的思想以及延伸實(shí)驗(yàn)思想的啟迪 化煩為易，化整體為部分，使一些看似不可能的事情成為可能。從光 拍法測光速這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，令我想到了曹沖稱象的故事。由于光速的頻率高達(dá)10，目前的儀器設(shè)備無法達(dá)到如此高