图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布 光拍频法测量光速实验 一、实验目的 1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。 2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 二、原理 根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差 12ωωω?=-较小）的二光束： 1011120222cos()cos()E E t k x E E t k x ωφωφ=-+? ?=-+? （1） 式中112/k πλ=，222/k πλ=为波数， 1?和2?分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 1 2 1212012122cos[ ()]22cos[()](2) 22 x E E E E t c x t c ωω φφ ωωφφ--=+=-+++?-+ 上式是沿轴方向的前进波，其圆频率为12()/2ωω+，振幅为12 02cos[ ()]22 x E t c ωφφ?--+，因为振幅绝对值以频率为12/2f f f ωπ?=?=-周期性地变化，所以被称为拍频波，?f 称为光拍波频率。 实验中拍频波由光电探测器检测，光电探测器上的光电流如图1（b ）和下式 []{} 2 01cos (/))i gE t x c ω?=+?-+ （3） 其中g 是光电探测器的转换常数，2f ωπ?=?，?是初相位。 如果有两路光频波，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差??与两路光的光程差L ?之间的关系 2L f L c c ωπ????????= = （4） 当π? 2=?时，?L =Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为 c f =??Λ （5） 可见，只要测定了Λ和f ?，即可确定光速c 。
原初引力波与阿里探测计划 张新民苏萌李虹李明哲蔡一夫 2016年3月公布的我国“十三五”规划纲要中列入了“强化宇宙演化、物质结构、生命起源、脑与认知等基础前沿科学研究”，从国家科技发展的战略高度肯定了宇宙演化等基础前沿科学的重要性。不久前的2016年2月11日，LIGO实验组和美国自然科学基金委员会联合宣布探测到来自于十三亿年前由两个黑洞并合产生的引力波,这是人类第一次直接探测到引力波，可谓一项里程碑式的发现。 ▍一、引力波源及其探测方式 引力波源大体可分为两种，天体物理起源和宇宙学起源。对应不同的波源，相应的探测方式也不一样，如图1所示。 图1，引力波的源及相应的探测方式 （图片来自NASA Goddard Space Flight Center）▍（一）天体物理起源的引力波及其探测
天体物理起源包括以下三类： （1）中子星、恒星级黑洞等致密天体（几十个太阳质量左右）组成的致密双星系统的合并过程。这类引力波的频率处于10赫兹- 1000赫兹量级的高频段，相应的探测手段是地面激光干涉仪。与迈克耳孙干涉仪一样，在引力波激光干涉仪中激光被分裂成两束后在两个垂直的臂中传播并发生干涉。当引力波经过时，局部的时空发生变形，两个臂的相对长度会发生改变，相应地激光干涉条纹就会移动。此类实验最具代表性的就是LIGO，利用长达4千米的两个互相垂直的探测臂首次探测到了引力波信号。 （2）大质量黑洞并合过程的后期、银河系内的白矮双星系统。频率为10?5赫兹 -1赫兹，这类引力波信号可通过空间卫星阵列构成的干涉仪来探测，如欧洲的eLISA计划。 （3）超大质量黑洞（数百万到数亿太阳质量）并合。频率为10?9赫兹 -10?6赫兹，探测手段是脉冲星计时，即利用地面上的大型射电望远镜，监视校准后的若干毫秒脉冲星。如果其附近有大质量黑洞并合时发出的引力波，这些毫秒脉冲星的脉冲频率会有变化。国际上20世纪70年代就开始这方面的研究，90年代已获得诺贝尔奖，我国在这方面有计划运行的FAST实验。 综上所述，天体物理过程产生的是高频引力波，相应的探测装置覆盖的频率范围在10?9赫兹以上。 ▍（二）宇宙学起源的原初引力波及其探测 除了天体物理起源以外，在宇宙的早期剧烈的量子涨落会产生充满整个宇宙空间的引力波，称之为原初引力波。自1940年代以来，
引力波的发现历程 班级：12级物理一班 姓名：陈昊昱 学号：1207020008 摘要：引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成为天体物理学的一个重要前沿课题。 关键字：引力波(gravitational waves) 广义相对论电磁波 一、引力波初期探索 牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。 其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。 这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。 根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。 在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛
顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。 虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜 爱因斯坦认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。 二、引力波检测的开拓者 爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系引力物质的质量与时空“弯曲”的程度、性质之间的桥粱。 爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整阊的“弯曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。 当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引
佛山科学技术学院 实 验 报 告 课程名称大学物理实验 实验项目 专业班级 姓 名 学号 指导教师成 绩 日期2010 年月日 一、实验目的 1.了解和掌握光调制的基本原理和技术。 2.学习使用示波器测量同频正弦信号相位差的方法。 3.测量光在空气中的速度。 二、实验器材 光速测量仪，双踪示波器。 三、实验原理 1．利用光的波长和光频率（=1014Hz）测速度 但=1014Hz，太高，目前电路最高只能响应108Hz的频率。 2．用调制波波长和频率(108Hz)测速度 108Hz，容易测量。 3．实验装置如图：
求出D-图像（直线）的斜率k，光速c=4πf?k = （2）“等相位”法测波长 表2 “等相位”法测波长 0123456 t（） ） x（mm） D（mm） （同（1）处理，求出光速）： 六.实验结果 七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等） 八.思考题 1．本实验中，光速测量的误差主要来源于什么物理量的测量误差？为什么？ 答：误差主要来源于波长的测量误差。因为频率可以做到很稳定。 2．通过光速测量实验，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？ 答：波长测量的主要误差来源是相位的测量误差。可采用高精度的相位计改进测量。
实验报告内容：一.实验目的 二.实验仪器（仪器名称、型号、参数、编号） 三.实验原理（原理文字叙述和公式、原理图） 四.实验步骤 五、实验数据和数据处理 六.实验结果 七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等） 八.思考题
关于光速测量的方法及其本质异同的报告 小组成员：白美丹白云瑞郭佳昌 郭丝丝贺小平王阳凡
关于光，那是我们每一个人都特别熟悉的。基于我们现在学习的理解，我们都知道光是一种电磁波，那即是这样，光也具有粒子性和波动性。那么光也有自己的速度，我们每天都在用光速解决问题。那么光速是怎么来的，它的数值那么大，怎么测量的？今天我们讨论讨论光速的测量史。 一．光速的几种测量方法及其原理 1.罗默木星蚀法 早在1676年丹麦天文学家罗默（1644—1710）首先测量了光速．由于任何周期性的变化过程都可当作时钟，他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”，罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀．他在观察时注意到：连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球背离木星运动时，要比地球迎向木星运动时要长一些，他用光的传播速度是有限的来解释这个现象．光从木星发出（实际上是木星的卫星发出），当地球离开木星运动时，光必须追上地球，因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间，要比实际相隔的时间长一些；当地球迎向木星运动时，这个时间就短一些．因为卫星绕木星的周期不大（约为1.75天），所以上述时间差数，在最合适的时间（上图中地球运行到轨道上的A和A’两点时）不致超过15秒（地球的公转轨道速度约为30千米/秒）．因此，为了取得可靠的结果，当时的观察曾在整年中连续地进行．罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速．由于当时只知道地球轨道半径的近似值，故求出的光速只有214300km/s．这个光速值尽管离光速的准确值相差
甚远，但它却是测定光速历史上的第一个记录．后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间，并在地球轨道半径测量准确度提高后，用罗默法求得的光速为299840±60km/s。 罗默很快意识到，如果认为光速是有限的话，这1000秒时间恰好对应光穿过地球轨道直径所需要的时间。那个时代，地球轨道直径被认为是大约2.76亿公里(正确值是约3.0亿公里)，因此罗默得到的光速比正确值略小，但作为对光速的第一次成功测量，罗默的方法被载入了史册。 2.布莱德雷光行差法 1728年，英国天文学家布莱德雷（1693—1762）采用恒星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量．布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周．他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化．他由此测得光速为： C=299930千米/秒 1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象，以意外的方式证实了罗麦的理论。刚开始时，他无法解释这一现象，
3 原初引力波与阿里探测计划 张新民1 苏 萌2 李 虹3 李明哲4 蔡一夫5 （1 中国科学院高能物理研究所理论物理研究室 100049；2 麻省理工学院物理系 02139；3 中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心 100049；4 中国科技大学交叉学科理论研究中心 230026；5 中国科技大学天 文学系 230026） 2016年3月公布的我国“十三五”规划纲要中列入了“强化宇宙演化、物质结构、生命起源、脑与认知等基础前沿科学研究”，从国家科技发展的战略高度肯定了宇宙演化等基础前沿科学的重要性。不久前的2016年2月11日，LIGO 实验组和美国自然科学基金委员会联合宣布探测到来自于13亿年前由两个黑洞并合产生的引力波，这是人类第一次直接探测到引力波，可谓一项里程碑式的发现。 一、引力波源及其探测方式 引力波源大体可分为两种，天体物理起源和宇宙学起源。对应不同的波源，相应的探测方式也不一样，如图1所示。 （1）中子星、恒星级黑洞等致密天体（几十个太阳质量左右）组成的致密双星系统的并合过程。这类引力波的频率处于10~1000赫兹量级的高频段，相应的探测手段是地面激光干涉仪。与迈克耳孙干涉仪一样，在引力波激光干涉仪中激光被分裂成两束后在两个垂直的臂中传播并发生干涉。当引力波经过时，局部的时空发生变形，两个臂的相对长度会发生改变，相应地激光干涉条纹就会移动。此类实验最具代表性的就是LIGO ，利用长达4千米的两个互相垂直的探测臂首次探测到了引力波信号。 （2）大质量黑洞并合过程的后期、银河系内的白矮双星系统。频率为10–5~1赫兹，这类引力波信号 可通过空间卫星阵列构成的干涉仪来探测，如欧洲的eLISA 计划。 （3）超大质量黑洞（数百万到数亿太阳质量）并合。频率为10–9~10–6赫兹，探测手段是脉冲星计时，即利用地面上的大型射电望远镜，监视校准后的若干毫秒脉冲星。如果其附近有大质量黑洞并合时发出的引力波，这些毫秒脉冲星的脉冲频率会有变化。国际上20世纪70年代就开始这方面的研究，90年代已获得诺贝尔奖，我国在这方面有计划运行的FAST 实验。 综上所述，天体物理过程产生的是高频引力波，相应的探测装置覆盖的频率范围在10–9赫兹以上。 （二）宇宙学起源的原初引力波及其探测 除了天体物理起源以外，在宇宙的早期剧烈的量子涨落会产生充满整个宇宙空间的引力波，称之为原初引力波。自20世纪40年代以来，经典热大爆炸宇宙学取得了巨大的成功，其预言的宇宙轻元素丰度、 宇宙微波背景辐射等均被实验证实，其中关于微波背 图1 引力波的源及相应的探测方式（图片来自NASA Goddard Space Flight Center ） （一）天体物理起源的引力波及其探测 天体物理起源包括以下三类： DOI:10.13405/https://www.doczj.com/doc/5716829824.html,ki.xdwz.2016.02.001
人类最早对于光速的测量始于伽利略。最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的。还有转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。1983年，光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标准，并且约定光速严格等于299,792,458米/秒，此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来，随着实验精度的不断提高，光速的数值有所改变，米被定义为1/299,792,458秒内光通过的路程。根据现代物理学，所有电磁波，包括可见光，在真空中的速度是常数，即是光速。强相互作用、电磁作用、弱相互作用传播的速度都是光速，根据广义相对论，万有引力传播的速度也是光速，且已于2003年得以证实。根据电磁学的定律，发放电磁波的物件的速度不会影响电磁波的速度。结合相对性原则，观察者的参考坐标和发放光波的物件的速度不会影响被测量的光速，但会影响波长而产生红移、蓝移。这是狭义相对论的基础。相对论探讨的是光速而不是光，就算光被稍微减慢，也不会影响狭义相对论。丹麦天文学家罗默从地球观测木卫一的掩蔽来测量光速。1676年奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动，第一次定量的估计出光速。艾欧的公转轨道可以用来计算时间，因为它会规律的进入木星的阴影中一段时间（图中的C至D）。罗默观测到当地球在最接近木星时（H点），艾欧的公转周期是42.5小时，当地球远离木星时（从L至K），艾欧从阴影中出现的时间会比预测的越来越晚，很明显的是因为木星与地球的距离增加，使得"信号"要花更多的时间传递。光要通过行星之间增加的距离，使得计时的信号在第一次和下一次之间因而延长了额外的时间。当地球向木星接近时（从F到G），情形则正好相反。罗默观测到艾欧在接近的40 个轨道周期中周期比远离的40个轨道周期缩短了22分钟。以这些观测为基础，罗默认为在80个轨道周期中光线要多花费22分钟行走艾欧与地球之间增加的距离。这意味着从L至K 和F至G，地球经历了80个艾欧轨道周期（42.5小时）的时间，光线只要花22分钟。这对应于一个地球在轨道上绕着太阳运动和光速之间的一个比例（如右图）。 意味着光速是地球的轨道速度的9,300倍，与现在的数值 10,100倍比较，相差无几。在当时，天文单位的估计数值是大约1亿4千万公里。克里斯蒂安·惠更斯结合了天文单位和罗默的时间估计，每分钟的光速是地球直径的1,000倍，他似乎误解了罗默22分钟的意思，以为是横越地球轨道所花费的时间。这相当于每秒220,000公里（136,000英里），比现在采用的数值低了26%，但仍比当时使用其他已知的物理方法测得的数值为佳。艾萨克·牛顿也接受光速是有限的观念，在他1704年出版的书光学中，他提出光每秒钟可以横越地球16.6次（相当于210,000公里/秒，比正确值低了30%）。这似乎是他自己的推断（不能确知他是否有引用或参考罗默的数据）。罗默随后依据同样的原理观察木星表面上的斑点在自转周期上的变化，也观察其他三颗伽利略卫星的相同现象。但是因为这种观测是很困难的，因而日后被其他的方法所取代。. 即使如此，靠著这些观测，光速是有限的仍不能被大众满意的接受（著名的有吉恩·多米尼克·卡西尼），直到在詹姆斯·布雷德里（1728）的观测之后，光速是无限的想法才被扬弃。布雷德里推论若光速是有限的，则因为地球的轨道速度，会使抵达地球的星光有一个微小角度的偏折，这就是所谓的光行差，他的大小只有1/200度。布雷德里计算的光速为298,000公里/秒（185,000英里/秒），这与现在的数值只有不到1%的差异。光行差的效应在19世纪已经被充分的研究，最著名的学者是瓦西里·雅可夫列维奇·斯特鲁维和de:Magnus Nyrén。1849年，法国物理学家A.H.L.菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量，最早的结果为c=315000千米/秒。1862年，法国实验物理学家J.-B.-L.傅科根据D.F.J.阿拉戈的设想
光拍法测量光速 光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，因此光速的测量是物理学中的一个十分重要的课题。本实验的目的是通过测量光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。 一、实验目的 1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。 2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 二、原理 根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的 两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅 相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差 21ωωω-=?较小）的二光束： )cos(11101?ω+-=x k t E E )cos(22202?ω+-=x k t E E 式中11/2λπ=k ，22/λπ=k 为圆波数， 1?和2?分别为两列波在坐标原点的初位相。若 这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布 ]2)(2cos[]2)(2cos[ 221212121021??ωω??ωω++-+?-+--=+=c x t c x t E E E E 上式是沿x 轴方向的前进波，其圆频率为2/)(21ωω+，振幅为]2 )(2cos[2210??ω-+-?c x t E ，因为振幅以频率为πω4/?=?f 周期性地变化，所以被称为拍频波，f ? 称为拍频。如果将光频波分为两路，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差??与两路光的光程差L ?之间的关系仍由上式确定。当π?2=?时，?L=Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为：Λ??=f c ，可见，只要测定了Λ和f ?，即可确定光速c 。 为产生光拍频波, 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。 具体方法有两种,一种是行波法,如图2（a ）所示,在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅的介质时，使激光束产生对称多级衍射和频移,第L 级衍射光的圆频率为L ΩL +=0ωω,其中
光速测量 地面测量法 直到1849年，法国物理学家斐索(Fizeau，1819-1896)才利用非天文方法在地面上第一次成功地测量了光速，斐索的仪器是非常精巧的。 斐索的方法被称为“旋转齿轮”法，它的核心是一个快速旋转的并可调整转速的齿轮，利用这个齿轮我们可以精确地测量时间。由于当时电灯尚未发明，斐索使用的光源其实是蜡烛，它发出的光波射到8公里远的镜子上并返回。假设齿轮不转动，那么蜡烛发出的光将从相邻两个齿之间穿过，然后又回来射到观察者的眼睛里。 斐索的方法被称为“旋转齿轮”法，它的核心是一个快速旋转的并可调整转速的齿轮，利用这个齿轮我们可以精确地测量时间。由于当时电灯尚未发明，斐索使用的光源其实是蜡烛，它发出的光波射到8公里远的镜子上并返回。假设齿轮不转动，那么蜡烛发出的光将从相邻两个齿之间穿过，然后又回来射到观察者的眼睛里。 现在假设齿轮开始转动，但转速较慢，当光被镜子反射回来的时候正好被相邻的齿挡住，因此没有光射到观察者的眼睛里。如果加快齿轮的转速，使光被反射回来的时候恰好转过一个齿轮，那么光又可以射到观察者的眼睛里。于是斐索知道当齿轮恰好转过一个齿的时间，就对应的是光传播16公里所需要的时间。斐索得到的光速是313111公里/秒，考虑到他所利用仪器的局限，这个结果已经相当精确了。 1850年法国物理学家傅科(Foucault，1819-1868)利用旋转镜法首次实现了在实验室里对光速的测定。傅科使用快速旋转的镜片替代了斐索的齿轮，快速旋转的镜片会使出射光线偏转一个角度θ，1862年傅科的测量结果是29.8万公里/秒。
更精确的测量是由美国物理学家迈克尔逊(Michelson，1852-1931)在1926年完成的，他改进了傅科的方法，使用一个多面的旋转镜，将光波分成不连续的光束。类似于斐索的实验，这些光束将被反射到35公里远的镜子上，然后再被反射回来。如图，我们使用一个六面镜，该镜由电动机转动，可以任意调节旋转速度。假设镜子不转动，并且处在如图的位置，光恰好可以被观察者看到。如果多面镜旋转起来，并且旋转速度不快时，多面镜的位置将不能使光束被反射到观察者的眼睛里。但当逐渐加快多面镜旋转速度，并恰好使相邻镜面恰好处于前一个镜面原先的位置时，即多面镜转了1/6圈时，观察者将可重新看到被反射的光束。
光速测量实验报告 实验目的： 1. 了解和掌握光调制的基本原理和技术 2. 学习和使用示波器测量同频正弦方波信号相位差的方法 3. 测量光在空气中的速度 实验仪器： 激光器、信号发生器、光接收器、示波器、反射镜等 实验原理 相位φ=κ*d ，其中φ为相位差，κ为波数，d 为光程差。实验采用平面镜改变光程差d,实验中可以通过测量平面镜之间的距离来确定光程差d 。信号发生器为直流方波输出，则激光器发出激光脉冲。激光接收器收到激光信号后输出基频信号，且输出的信号为一正弦波，前后移动平面反射镜的距离，并测出移动的距离进而测出光程差Δd,由于光程差的改变，则信号反射光的信号的相位发生变化，由示波器上可以确定时间t1和t2，计算出时间差Δt=∣t1-t2∣，所以光速c=Δd/Δt 。下面是测量图： 1. 预习实验的内容，了解实验的目的，理解实验的原理，思考应当怎样把实验 做好，实验过程中都要做什么，同时，复习一下示波器一些基本的使用和各个按键的功能。为实验做好准备工作。 2. 实验前，认真读完实验仪器的操作说明，了解实验仪器的基本结构，以及实 验仪器各部分在实验中的功能和作用，分析实验中应该怎样正确的使用仪器，进入实验状态。 3. 在对实验分析的基础上，正确的连接线，把实验仪器连接摆放好 4. 调试实验仪器，由于如果反射镜离的太远，不利于实验中对实验仪器的调试， 因此，在调试仪器阶段应当使反射镜离激光器近。同时，反射镜，激光器，信号接收器应该保持在同一水平面上。由信号发生器发出一矩形方波，作用在激光器上使激光器发出光脉冲，由反射镜反射的信号由接收器转换成正弦波，把正弦波与方波同时输入示波器，由于方波是很稳定的不随反射镜位置的变化，把触发信号选择成方波。 5. 选择合适的反射镜位置作为基点，然后移动反射镜的位置，测量实验数据Δd 和Δt ，处理实验数据，可以用线性来求。 示波器 信号发生器 激光接收器 激光器 平面反射镜 Δd
光速测量实验报告参考 一、光及光速测量的发展史 （一）古代中国对于光的认识 “景，光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝下光，故景障内也。”——《墨经》(光的直线传播) “阳艘向日照之.则光聚向内，离镜一二寸，光聚为一点，大如麻寂，着物则火发;阳健面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。” ——《梦溪笔谈》(小孔成像) （二）西方人对于光的认识 崐神说，要有光，就有了光。——《圣经》 光是由发光体向四面八方射出的一种东西，这种东西碰到障碍物上就立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛，就叫人感觉到看见使它最后被弹开的那个东西。——毕达哥拉斯 （三）光在近代物理学发展过程中的认识 光的颗粒说（1643-1727）——牛顿 光的波动说（1635-1703）——胡克 光是电磁波（1857-1894）——赫兹 粒子说（1879-1955）——爱因斯坦 二、究竟光是什么？ 现代科学的认为：光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。
三、光速测量的方法 （一）伽利略首先提出了光速的测量，但失败了。（1607） （二）天文测定光速 1.罗默的卫星蚀法（1676） 2.布莱德雷的光行差法（1728） 点评：由于当时天文仪器并无现在先进，且凭肉眼观察误差较大，所以测得的值都不精确 （三）大地测定光速（以光行过的路程和时间得出速度c=s/t） 1.斐索旋转齿轮法（ 1849） 2.惠更斯旋转镜法（ 1834） 3.迈克尔逊旋转棱镜法（ 1926） 点评：想要得到越精确的值，就要尽量增大s和t，故实际操作繁琐和精确度不大是必然的。 （四）实验室测光速法（c= λ?） 1.埃森微波谐振腔法（1950） 2.激光法测光速 点评：是目前最普遍也是最准确测量光速的方法，也是本实验的思想方法 拍光法测光速 【学习目标】 1.进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的技术，了解声光调制器的应用; 2.体会到光速也是一个有限值，并了解光年是一个空间量; 3.进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。 【实验原理及装置】
光拍法测量光速 从17世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。现在，光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单位标准，即“米的长度等于真空中光在299792458/1秒的时间间隔中所传播的距离”。光速也已直接用于距离测量，在国民经济建设和国防事来上大显身手，光的速度又与天文学密切相关，光速还是物理学中一个重要的基本的常数，许多其它常数都与它有关，例如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数，第二辐射常数，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等都与光速c 相关。正因为如此，巨大的魅力把科学工作者牢牢地吸引到这个课题上来，几十年如一日，兢兢业业地埋头于提高光速测量精度的事业。 [目的] 1.了解声光频移法获得光拍的方法。 2.掌握光拍法测光速的原理和实验方法。 3.熟练掌握用光速测定仪测量光速的技术。 本实验是采用高频声光器件，利用声光频移效应产生150MHz 的拍频波，移动反光镜，用示波器比较近程光与远程光的相位差，求得拍频波的波长和频率，测得光的传播速度。 [仪器] 光速测量仪（LM2000C ）（包括光学系统及光路系统）、多功能等精度频率计（HC-F1000L ）、示波器（YB4320）。 [原理] 1．光拍的产生和传播 根据振动的迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍。考虑频率分别为1f 和2f （频差21f f f -=?较小）的光束（为简化讨论，我们假定它们具有相同的振幅）： )cos(1111?ω+-=x k t E E )cos(2222?ω+-=x k t E E 它们的迭加 ]2 )(2cos[]2)(2cos[ 22 121212 121??ωω??ωω++-+?-+--=+=c x t c x t E E E E s （1） 是角频率为 2 2 1ωω+，振幅为]2 )(2 cos[ 22 12 1??ωω-+--c x t E 的前进波。 注意到s E 的振幅以频率π ωω22 1-= ?f 周期地变化，所以我们称它为拍频波，f ?就是拍频，如图一所示：
1.引力波探测器的发展 早的引力波探测器是共振型引力波探测器： 上世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验都无所获。 后来人民发展出了激光干涉仪为原理的探测器。世界范围内，除了美国LIGO 引力波探测器之外，还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。 2.引力波探测的原理 是利用激光干涉引力天文台来探测，其原理使用了迈克尔孙干涉仪和法布里-柏罗干涉仪等。
但是它与传统的迈克尔逊干涉原理有着本质的不同，简单来说就是光速恒定，时空弯曲，路程变化，本来互相“抵消”的光线没有抵消，然后就产生了信号。具体原理涉及到相对论方程。 3.激光干涉引力天文台的建造 激光干涉引力波天文台于1999年11月建成，耗资3.65亿美元。2005年，激光干涉引力波天文台开始进行改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。 2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上线。最新建造的激光干涉引力波天文台在华盛顿州与路易斯安那州之间架设了两个引力波探测器，主要部分是两个互相垂直的长臂，个臂长4000米，臂的末端悬挂着反射镜，管道采用不锈钢制成，直径1.2米，内部真空度为10-12大气压。大功率的激光束在臂中来回反射大约50次，使等效臂长大大增加，这样就会形成干涉条纹，如果引力波传播到地球上，那么就可以引起干涉条纹的位移。 为了降低地震对系统带来的干扰，光学装置安装在结构复杂的防振台上，为降低空气分子热运动的影响，光路中抽成10-12大气压的真空。此外还要在路易斯安那州和华盛顿州建造两个相同的探测器，彼此相距3000公里。只有两个探测器同时检测到信息时，才有可能是引力波的信号 4.引力波探测遇到的困难 事实上，引力波就像是时空的涟漪，如果将时空想象成水面，那么天体碰撞事件就如同块石头落入水中所引发的水波，只不过引力波的传播速度可以达到光速。为了寻找引力波，科学家需要借助宇宙中的极端事件，比如黑洞合并、中子星事件等，因为大质量天体可以产生相对较强的引力波。只不过如此事件较为罕见，在银河系内大约平均每1万年会发生一次。 引力波的探测要求仪器的灵敏度达到能够检测长度到为10-21量级的变化，也
光速测量实验报告 光拍法测量光速 【实验名称】光拍法测量光速 【实验目的】1( 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。 2( 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 【实验仪器】CG-IV型光速测定仪，示波器，数字频率计 【实验原理】根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别为和(频差较小)的二光 束: ,,,,,,,,1212 E,Ecos(,t,kx，,) E,Ecos(,t,kx，,) 1011120222 式中，为波数，和为初位相。若这两列光波的偏振方向相同， k,2,/,k,2,/,,,112212 则叠加后的总场为: ,,，，,,,,,,,,xx，，，，12121212EEEEtt ,，,2cos(,)，，cos(,)，120,,,,cc2222，，，，上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为，振幅为(,，,)/212 ,,,x,,，，12Et，因为振幅以频率为周期性地变化，所以 E2cos(,)，,f,,,/4,0,,c22，， 被称为拍频波，称为拍频，为拍频波的波长。 ,,,,,c/,f,f 实验通过实验装置获得两束光拍信号，在示波器上对两光拍信号的相位进行比较，测出两光拍信号的光程差及相应光拍信号的频率，从而间接测出光速值。假设两束光的光程差为L，对应的光拍信号的相位差为，当二光拍信号的相位差为2π时，即光程差为光拍波,,'
,,的波长时，示波器荧光屏上的二光束的波形就会完全重合。由公，，c,,,,,f,L,2F便可测得光速值c。式中L为光程差，F为功率信号发生器的振荡频率。【实验步骤】1，观察实验装置，打开光速测定仪，示波器，数字频率计电源开关。 2，调节高频信号源的输出频率(15MHZ左右)，使产生二级以上最强衍射光斑。 3，用斩光器挡住远程光，调节全反射镜和半反镜，使近程光沿光电二极管前透镜的光轴入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器上应有与近程光束相应的经分频的光拍波形出现。 4，用斩光器挡住近程光，调节半反镜、全反镜和正交反射镜组，经半反射镜与近程光同路入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器屏上应有与远程光光束相应的经分频的光拍波形出现。 5，示波器上这时有两列波出现，移动导轨上A的滑块，记下此时A的位置，然后移动滑块B，让两列波完全重合，记下滑块B的位置。 6，重复步骤5，然后再记下数据。 【实验数据与处理】 f=75.0035MHZ (mm) (mm) ，，，，D0D0AB 80.0 548.0 548.1 548.2 548.0 548.0 (mm) (mm) ，，，，D2,D2,AB 420.0 209.1 208.8 209.0 209.3 208.8 ，，，，，，，，，，，，L,2，D2,,D0，2，D2,,D0BBAA ，，D2,=(209.1+208.8+209.0+209.3+208.8) 5=209.0mm ,B ，，D0=(548.0+548.1+548.2+548.0+548.0)5=548.06mm ,B 1.88mm ，，，，L,2，209.00,548.06，2，420.0,80.0, 68c==1.88，，，2，75.0035，10=m/s ，，L，2F2.820，10 883.0，10,2.820，10,,=6.0% 83.0，10
引力波,引力波源及引力波探测 摘要：目的通过讨论初步了解引力波及其检测方法方法采用查阅文献，小组汇报，互相交流的方式。结果初步了解引力波，同学们积极发言，小组讨论效果明显。结论通过独自查阅文献，互相讨论交流，我们对引力波有了更深刻的认识，也获得了许多有用的知识。这是一种增长知识，开阔视野的有效的学习方式。 关键字：引力波；检测；原理；意义 1. 引言 广义相对论的几个经典检验和预言 1．光谱线在引力场中的红移；距引力场源较远处接收到光的频率较低，原因：光“逃离”引力场源需要做功。 2．光线在引力场中的偏折；牛顿理论加上光子概念可以定性解释，但定量结果却总只有观测值的一半。 3. 水星进日点的进动；多出来的43秒／百年，牛顿理论加上摄动修正无法解释。以上三点均是广义相对论的直接推论－－史瓦西解（Schwarzschild1916）的直接结果。传感器一般由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件是指传感器中敏感元件感受（或响应）的被测量，转换成适于传感和测量的电线号的部分。 4．雷达回波延迟；1964年Shapiro首次提出。地球发出的雷达信号经太阳附近到达另一行星（或飞船），然后返回，测量信号发出与接收的时间。与广义相对论的吻合程度非常高。 5．引力波；下面专门谈。 6．黑洞；等。 引力波：指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，以引力辐射的形式传输能量的波。 2. 实验 2.1 共振型棒式天线： 代表：Weber棒(美国) 实验装置：悬挂的铝棒（重1.4吨）＋压电陶瓷传感器。灵敏度为h~2X10-15。 Weber的检测器工作在室温下，来自热运动的噪声会干扰实验结果。目前采用高Q值低内耗铝合金在超低温(10-2K)下工作，工作的引力波频段为~1000Hz段，灵敏度为h~2X10-21。 缺点：非共振频段的引力波反应弱；守株待兔式探测需要昂贵的实验维持费用。 部分实验结果： 1969年，韦伯(J. Weber)宣称探测到了来自银河系中心的引力波，实验结果发表于美国物理评论快报(Physics Review Letter)，但后来相继建成的更高灵敏度的引力波检测器没能重复其结果，因此其结论目前仍然未能被科学界接受，认为是噪声而非引力波！ 1987年有个小组声称接收到了来自大麦哲伦星云(属于银河系的近邻星系)中的超新星1987A 爆发时的引力辐射。 这两个结果都因为没有旁证而无法得到公认. 2i.2激光干涉仪探测器： 代表：LIGO（美国） 其原理与传统的迈克尔逊干涉仪完全相同,引力波作 用将引起两垂直光臂(检验质量)产生不同的距离变化，从而改变两束干涉光的光程差，通过干涉条纹移动反映出来！其工作频率下限为10Hz。欧洲宇航局拟建的LISA工作频率下限为10-2Hz。 部分实验结果： 2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015 年
相位法测光速实验数据及其处理： x2/m t2/μm x1/m t1/μmλ/m 温度 T/℃ 压强 P/kpa e/㎜ Hg n C(×10^8m/s) 0.4422 1.590.03210.99 3.021070000 17.584.6214.998 1.000026043.02114867 0.4300 1.570.0421 1.00 3.007926316 3.00800464 0.4146 1.540.03580.99 3.044174545 3.04425382 0.4282 1.560.0501 1.01 3.038549091 3.03862821 0.4085 1.530.02750.98 3.061854545 3.06193428 0.4510 1.600.0501 1.01 3.003352542 17.884.5915.284 1.000225823.00403076 0.4378 1.580.0439 1.00 3.001789655 3.00246752 0.4427 1.590.0480 1.01 3.007886207 3.00856545 0.4205 1.550.03390.99 3.051378571 3.05206763 0.4420 1.580.0502 1.01 3.038168421 3.03886270 0.4235 1.560.02960.98 3.001789655 17.884.5915.284 1.000225823.00246752 0.4415 1.580.0405 1.01 3.109508772 3.11021096 0.4237 1.560.0490 1.01 3.011225455 3.01190545 0.4259 1.560.0607 1.03 3.045630189 3.04631795 0.4039 1.530.0470 1.01 3.033650000 3.03433506 0.4340 1.570.03000.98 3.026576271 17.984.615.381 1.000225773.02725958 0.4201 1.550.02500.98 3.063757895 3.06444960 0.4182 1.550.03150.99 3.052167857 3.05285694 0.4079 1.540.02360.98 3.033225000 3.03390981 0.4325 1.570.03310.99 3.043703448 3.04439062 0.4066 1.530.02650.98 3.054621818 17.984.615.381 1.000225773.05531146 0.4335 1.570.0362 1.00 3.080817544 3.08151310 0.4249 1.560.03570.99 3.018007018 3.01868839 0.4421 1.580.0521 1.02 3.078214286 3.07890925 0.4290 1.560.03180.99 3.080042105 3.08073749 0.4401 1.580.0371 1.00 3.071137931 17.984.615.381 1.000225773.07183130 0.4282 1.560.03310.99 3.063757895 3.06444960 0.4260 1.560.0391 1.00 3.053746429 3.05803669 0.4050 1.530.02320.98 3.068283636 3.06897636 0.4342 1.570.03410.99 3.049037931 3.04972631
实验22 光速测量 从17世纪70年代伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用当时最先进的技术来测量光速。1983年，国际计量局召开第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中1/299792458秒的时间内所传播的距离为长度单位米（m）。这样光速的精确值被定义为c=299,792,458m/s。 光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理常量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系。例如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数，第二辐射常数，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等常数都与光速c相关。正因为如此，许多科学工作者致力于提高光速测量精度的研究。 【实验目的】 1.了解和掌握光调制的基本原理和技术。 2.学习使用示波器测量同频正弦信号相位差的方法。 3.测量光在空气中的速度。 【预备问题】 1.光波的波长、频率及速度是如何定义的？ 2.能否对光的频率进行绝对测量，为什么？ 3.等相位测量波长法与等距离测波长法，哪一种方法有较高的测量精度？ 【实验仪器】 光速测量仪，双踪示波器。 【实验原理】 1．利用波长和频率测速度 按照物理学定义，任何波的波长λ是一个周期内波传播的距离。波的频率f是1秒种内发生了多少次周期振动，用波长乘以频率得1秒钟内波传播的距离即波速: =λ（22-1） c? f 利用这种方法，很容易测得声波的传播速度。但直接用来测量光波的传播速度还存在很多技术上的困难，主要是光的频率高达1014Hz，目前的光电接收器中无法响应频率如此高的光强变化，迄今仅能响应频率在108Hz左右的光强变化并产生相应的光电流。