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物理學(xué)中光速的測(cè)量方法
物理學(xué)上有一門專門研究光速的學(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(cè)量方法，歡迎大家閱讀光傳輸技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展!
摘要：光速是最重要的物理常數(shù)之一，光速值的精確測(cè)量關(guān)系到許多物理量值精確度的提高。光速的測(cè)量在光學(xué)的研究歷程中有著重要的意義，其測(cè)量精度的每一點(diǎn)提高都反映和促進(jìn)了相應(yīng)時(shí)期物理學(xué)的發(fā)展。本文主要對(duì)天文學(xué)方法和利用精密儀器實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：光速;測(cè)量方法;天文學(xué)方法;實(shí)驗(yàn)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、定律都有著密不可分的關(guān)系，故光速的測(cè)定歷來為物理學(xué)界所普遍重視。
伽利略1607年首次嘗試測(cè)量光速。(Fazeiu)利用旋轉(zhuǎn)齒輪機(jī)構(gòu)，測(cè)得光速值約為3.15×108m/s，是第一次在地球上測(cè)得的比較準(zhǔn)確的值。傳統(tǒng)的光速測(cè)定的基本途徑2條：一種是利用光是電磁波的性質(zhì)，測(cè)出光波的波長(zhǎng)和頻率再算出光速。
由于可見光的頻率高，波長(zhǎng)短，測(cè)頻技術(shù)難度非常大，所以目前實(shí)驗(yàn)使用的光速測(cè)量?jī)x器大多利用示波器測(cè)量微小的時(shí)間間隔，這種測(cè)量歸因于精密的儀器，而且其測(cè)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(yàn)中缺少動(dòng)手操作的過程，僅僅是讀取一些數(shù)據(jù)。本文提出的光速測(cè)量設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的思路是根據(jù)光的電磁波性質(zhì)，用光學(xué)基礎(chǔ)，通過測(cè)定RCL電路的諧振頻率從而導(dǎo)出光速的表達(dá)式。
以前許多科學(xué)家們探索了光的測(cè)量方法，下面介紹了以前的幾種測(cè)量方法。測(cè)量光速的方法通常分為天文學(xué)方法和利用精密儀器測(cè)光速方法兩大類。
2.天文學(xué)方法
2.1木星衛(wèi)星蝕：1676年丹麥天文學(xué)家O.Rmer用木星衛(wèi)星蝕法第一次成功地測(cè)量了光速。周其為12年的木星是太陽行星，而繞木星運(yùn)行的衛(wèi)星周期性的出現(xiàn)衛(wèi)星蝕。O.Rmer根據(jù)衛(wèi)星蝕的周期性變化規(guī)律計(jì)算出光速的數(shù)值為214000km/s。此數(shù)雖同現(xiàn)代測(cè)量結(jié)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(yàn)方法測(cè)得光速是以有限速度進(jìn)行轉(zhuǎn)播的。
2.2恒星光行差法：1728年英國(guó)的天文學(xué)家James.Bradley發(fā)現(xiàn)，在地球繞太陽運(yùn)行的一年內(nèi)所有的恒星在天空中畫出長(zhǎng)半軸相等的橢圓。其中在橫道面內(nèi)的恒星所畫的橢圓蛻化成一條直線，通過太陽且垂直于黃道面直線上的恒星所畫的橢圓退化成一個(gè)圓，從地球上看這些橢圓長(zhǎng)軸的張角等于40.9"，這種現(xiàn)象稱為恒星的光行差。這種現(xiàn)象是由于光的轉(zhuǎn)播速度具有有限值而引起的。利用這種方法測(cè)的光速為303000Km/s，它很接近于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室測(cè)的光速的數(shù)值。
3.利用精密儀器的實(shí)驗(yàn)方法
3.1齒輪法：1849年H.L.Fizeau第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中成功地測(cè)量了光速。他利用齒輪周期性地遮斷光線的方法，精確的測(cè)定了時(shí)間。在1847年到1902年間，用此方法測(cè)的光速均在2.99×108m/s的范圍內(nèi)。
3.2旋轉(zhuǎn)鏡法：旋轉(zhuǎn)鏡法的主要特點(diǎn)是能對(duì)信號(hào)的傳播時(shí)間作精確測(cè)量。1851年傅科成功地運(yùn)用此法測(cè)定了光速。旋轉(zhuǎn)鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個(gè)高速均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡面來代替齒輪裝置。由于光源較強(qiáng)，而且聚焦得較好，因此能極其精密地測(cè)量很短的時(shí)間間隔。
3.3旋轉(zhuǎn)棱鏡法：1962年Michelson改進(jìn)了L.Foucault的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)棱鏡法，主要是利用多面反射鏡代替。L.Foucault實(shí)驗(yàn)中的單一平面鏡，以提高測(cè)量精度。此實(shí)驗(yàn)中測(cè)的光速為299796±4km/s。Michelson實(shí)驗(yàn)選擇的光路很長(zhǎng)，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(cè)量，從而很難換算為真空中的光速，為此后來Pearson和Pease對(duì)原來的實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，由此測(cè)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(diào)制光強(qiáng)的方法求測(cè)量光速。在短光路、微小時(shí)間間隔范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確測(cè)量光速，從而使實(shí)驗(yàn)精度大大提高。后來Anderson和Hiittel各自獨(dú)立地改進(jìn)了此實(shí)驗(yàn)，它們測(cè)得光速為299776±6km/s，而1951年Berstrand進(jìn)一步改進(jìn)了此實(shí)驗(yàn)，測(cè)得光速為299793.1±0.3km/s。
3.5光拍頻法：光拍頻法測(cè)光速是一種通過測(cè)量光拍的速度進(jìn)而間接測(cè)量光速的方法。光拍頻法測(cè)量光速是利用光拍的空間分布，測(cè)出同一時(shí)刻相鄰?fù)辔稽c(diǎn)的光程差和光拍頻率，從而間接測(cè)出光速。目前此種方法是一般實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行光速測(cè)量的常用方法。
根據(jù)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(jié)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(jí)次，F(xiàn)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(duì)相應(yīng)的光拍信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)考慮到光拍信號(hào)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(zhǎng)。
同時(shí)，教師在物理教學(xué)中應(yīng)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(yàn)。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，教師在選擇，設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)多做一些學(xué)生意想不到，違背學(xué)生思維常規(guī)的試驗(yàn)，不僅能有效地突破學(xué)生的思維定勢(shì)，糾正知識(shí)錯(cuò)誤，深化理解知識(shí)，更能激起學(xué)生的不安，使學(xué)生積極主動(dòng)地參與對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，原因等的分析，討論之中，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維積極性和養(yǎng)成多角度、多層次看問題的習(xí)慣與品質(zhì)。如在表面張力教學(xué)中給學(xué)生演示中對(duì)接在一起，大小不同的兩個(gè)氣球?qū)庨_閥門k后的現(xiàn)象，可讓學(xué)生先猜測(cè)，學(xué)生一致認(rèn)為是A變小，B變大，而結(jié)果卻恰好相反，通過引導(dǎo)分析，學(xué)生能很好地理解附加壓強(qiáng)的存在及其影響。又如開水煮魚，紙鍋燒水，瓦碎蛋全等實(shí)驗(yàn)也都能有效地激發(fā)沖突，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維。
總之，在創(chuàng)新教育成為21世紀(jì)教育主旋律的形勢(shì)下，教師需突破演示實(shí)驗(yàn)原有的框框和設(shè)定，努力探索，發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教育教學(xué)功能。實(shí)踐證明，只要教師正確認(rèn)識(shí)，認(rèn)真對(duì)待，演示實(shí)驗(yàn)定能起到一箭雙雕之效果。
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