物理學(xué)中光速的測量方法
物理學(xué)上有一門(mén)專(zhuān)門(mén)研究光速的學(xué)科，下面小編就為這一學(xué)科的同學(xué)推薦物理學(xué)中光速的測量方法，歡迎大家閱讀光傳輸技術(shù)的應用和發(fā)展!
摘要：光速是最重要的物理常數之一，光速值的精確測量關(guān)系到許多物理量值精確度的提高。光速的測量在光學(xué)的研究歷程中有著(zhù)重要的意義，其測量精度的每一點(diǎn)提高都反映和促進(jìn)了相應時(shí)期物理學(xué)的發(fā)展。本文主要對天文學(xué)方法和利用精密儀器實(shí)驗方法進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：光速;測量方法;天文學(xué)方法;實(shí)驗方法
1.引言
光速是一個(gè)非常重要的物理常量，它與力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及近代物理中的許多定理、定律都有著(zhù)密不可分的關(guān)系，故光速的測定歷來(lái)為物理學(xué)界所普遍重視。
伽利略1607年首次嘗試測量光速。(Fazeiu)利用旋轉齒輪機構，測得光速值約為3.15×108m/s，是第一次在地球上測得的比較準確的值。傳統的光速測定的基本途徑2條：一種是利用光是電磁波的性質(zhì)，測出光波的波長(cháng)和頻率再算出光速。
由于可見(jiàn)光的頻率高，波長(cháng)短，測頻技術(shù)難度非常大，所以目前實(shí)驗使用的光速測量?jì)x器大多利用示波器測量微小的時(shí)間間隔，這種測量歸因于精密的儀器，而且其測量的也僅僅是光在光纖中的速度，而非真空中的速度。
并且實(shí)驗中缺少動(dòng)手操作的過(guò)程，僅僅是讀取一些數據。本文提出的光速測量設計性實(shí)驗的思路是根據光的電磁波性質(zhì)，用光學(xué)基礎，通過(guò)測定RCL電路的諧振頻率從而導出光速的表達式。
以前許多科學(xué)家們探索了光的測量方法，下面介紹了以前的幾種測量方法。測量光速的方法通常分為天文學(xué)方法和利用精密儀器測光速方法兩大類(lèi)。
2.天文學(xué)方法
2.1木星衛星蝕：1676年丹麥天文學(xué)家O.Rmer用木星衛星蝕法第一次成功地測量了光速。周其為12年的木星是太陽(yáng)行星，而繞木星運行的衛星周期性的出現衛星蝕。O.Rmer根據衛星蝕的周期性變化規律計算出光速的數值為214000km/s。此數雖同現代測量結果的誤差很大，但其主要意義在于使O.Rmer第一次用實(shí)實(shí)驗方法測得光速是以有限速度進(jìn)行轉播的。
2.2恒星光行差法：1728年英國的天文學(xué)家James.Bradley發(fā)現，在地球繞太陽(yáng)運行的一年內所有的恒星在天空中畫(huà)出長(cháng)半軸相等的橢圓。其中在橫道面內的恒星所畫(huà)的橢圓蛻化成一條直線(xiàn)，通過(guò)太陽(yáng)且垂直于黃道面直線(xiàn)上的恒星所畫(huà)的橢圓退化成一個(gè)圓，從地球上看這些橢圓長(cháng)軸的張角等于40.9"，這種現象稱(chēng)為恒星的光行差。這種現象是由于光的轉播速度具有有限值而引起的。利用這種方法測的光速為303000Km/s，它很接近于現代實(shí)驗室測的光速的數值。
3.利用精密儀器的實(shí)驗方法
3.1齒輪法：1849年H.L.Fizeau第一個(gè)在實(shí)驗室中成功地測量了光速。他利用齒輪周期性地遮斷光線(xiàn)的方法，精確的測定了時(shí)間。在1847年到1902年間，用此方法測的光速均在2.99×108m/s的范圍內。
3.2旋轉鏡法：旋轉鏡法的主要特點(diǎn)是能對信號的傳播時(shí)間作精確測量。1851年傅科成功地運用此法測定了光速。旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過(guò)，它主要用一個(gè)高速均勻轉動(dòng)的鏡面來(lái)代替齒輪裝置。由于光源較強，而且聚焦得較好，因此能極其精密地測量很短的時(shí)間間隔。
3.3旋轉棱鏡法：1962年Michelson改進(jìn)了L.Foucault的實(shí)驗，設計了旋轉棱鏡法，主要是利用多面反射鏡代替。L.Foucault實(shí)驗中的單一平面鏡，以提高測量精度。此實(shí)驗中測的光速為299796±4km/s。Michelson實(shí)驗選擇的光路很長(cháng)，由于空氣的溫度和壓力的變化所造成的空氣的不均勻性很難測量，從而很難換算為真空中的光速，為此后來(lái)Pearson和Pease對原來(lái)的實(shí)驗加以改進(jìn)，由此測得真空中的光速為299774±2km/s。
3.4克爾盒法：Korlus和Mittelstaedt首先利用克爾盒調制光強的方法求測量光速。在短光路、微小時(shí)間間隔范圍內能夠準確測量光速，從而使實(shí)驗精度大大提高。后來(lái)Anderson和Hiittel各自獨立地改進(jìn)了此實(shí)驗，它們測得光速為299776±6km/s，而1951年Berstrand進(jìn)一步改進(jìn)了此實(shí)驗，測得光速為299793.1±0.3km/s。
3.5光拍頻法：光拍頻法測光速是一種通過(guò)測量光拍的速度進(jìn)而間接測量光速的方法。光拍頻法測量光速是利用光拍的空間分布，測出同一時(shí)刻相鄰同相位點(diǎn)的光程差和光拍頻率，從而間接測出光速。目前此種方法是一般實(shí)驗室中進(jìn)行光速測量的常用方法。
根據振動(dòng)疊加原理，兩列速度相同、振動(dòng)面和傳播方向相同，頻差又較小的簡(jiǎn)諧波疊加形成拍。借助于聲光移頻器可以使光和超聲波發(fā)生相互作用，其結果是使輸出光的頻率發(fā)生改變，在駐波法精形下可以得到輸出衍射光的[頻率為：fLm=f0+(L+2m)F(其中f0代表射光波的頻率，L及m代表輸出光衍射級次，F代表超聲波的工作頻率)，同時(shí)利用圓孔光闌從中選取頻率相近的兩種光合成所需的光拍頻波。光電接收元件對相應的光拍信號進(jìn)行處理，同時(shí)考慮到光拍信號上不同位置處的位相不同，就可以在其上選取兩點(diǎn)，使此兩點(diǎn)為相差2π，則此時(shí)兩點(diǎn)之間的最短距離為一個(gè)拍頻率波波長(cháng)。
同時(shí)，教師在物理教學(xué)中應多做一些學(xué)生意想不到，能引起學(xué)生思維沖突的演示實(shí)驗。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，調動(dòng)學(xué)生的積極性，教師在選擇，設計演示實(shí)驗時(shí)，應多做一些學(xué)生意想不到，違背學(xué)生思維常規的試驗，不僅能有效地突破學(xué)生的思維定勢，糾正知識錯誤，深化理解知識，更能激起學(xué)生的不安，使學(xué)生積極主動(dòng)地參與對實(shí)驗現象，原因等的分析，討論之中，極大地調動(dòng)學(xué)生的思維積極性和養成多角度、多層次看問(wèn)題的習慣與品質(zhì)。如在表面張力教學(xué)中給學(xué)生演示中對接在一起，大小不同的兩個(gè)氣球寧開(kāi)閥門(mén)k后的現象，可讓學(xué)生先猜測，學(xué)生一致認為是A變小，B變大，而結果卻恰好相反，通過(guò)引導分析，學(xué)生能很好地理解附加壓強的存在及其影響。又如開(kāi)水煮魚(yú)，紙鍋燒水，瓦碎蛋全等實(shí)驗也都能有效地激發(fā)沖突，調動(dòng)學(xué)生的思維。
總之，在創(chuàng )新教育成為21世紀教育主旋律的形勢下，教師需突破演示實(shí)驗原有的框框和設定，努力探索，發(fā)揮演示實(shí)驗的創(chuàng )新教育教學(xué)功能。實(shí)踐證明，只要教師正確認識，認真對待，演示實(shí)驗定能起到一箭雙雕之效果。
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