光速的测定

初中物理光学-光速的测量
光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是所有各种频率的电磁波在真空中的传播速度．狭义相对论认为：任何信号和物体的速度都不能超过真空中的光速．在折射率为n的介质中，光的传播速度为：v=c/n．在光学和物理学的发展历史上，光速的测定，一直是许多科学家为之探索的课题．许多光速测量方法那巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究．历史上光速测量方法可以分为天文学测量方法、大地测量方法和实验室测量方法等
一、光速测定的天文学方法
1．罗默的卫星蚀法
光速的测量，首先在天文学上获得成功，这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离．早在1676年丹麦天文学家罗默（16441710）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。

高中物理实验教案：测定光速的方法探究一、引言在高中物理课程中，学生们经常会遇到实验探究的任务。

其中一个重要的实验就是测定光速的方法探究。

光速是光在真空中传播的速度，它具有极高的数值（约为300,000,000米/秒），对于科学研究和现代技术发展具有重要意义。

本文将介绍几种测定光速的方法，并分析其原理与步骤。

二、第一种方法：菲涅尔透镜法1. 实验原理菲涅尔透镜法利用透镜成像的特性，通过测量物体移动的距离和时间来计算出光速。

2. 实验步骤a. 准备一块平面玻璃，上面放置一个小孔，以使光线从小孔射入。

b. 在玻璃上竖直固定一个透明尺垂直于光线方向。

c. 放置一个可移动标志物，如纸片，在尺上。

d. 使用一台钟表记录标志物在移动过程中所需时间。

e. 通过改变尺与玻璃板之间的距离来改变焦距。

f. 测量不同焦距下标志物所需时间。

3. 结果分析根据焦距和时间的数据，可以绘制出一条直线，通过这条直线找到焦距为零时标志物所需要的时间。

此时，光线射入玻璃板之前被透明尺阻挡一段时间，而在通过玻璃板后又被阻挡相同的时间。

因此，在推导公式中可以剔除这部分时间。

最终，根据测量得到的数据计算出光速。

三、第二种方法：费曼反射法1. 实验原理费曼反射法利用光在不同介质中传播时发生折射和反射现象的特点进行测定光速。

2. 实验步骤a. 准备一块平行透明介质（如平行板）。

b. 在平行介质上放置一个小孔，并将其作为起始点。

c. 向小孔方向射入一束光线，使其与平行板碰撞。

d. 观察经过平行板后形成的反射和折射现象。

e. 根据观察结果记录下相应数据，并注意测量过程中可能产生的误差。

3. 结果分析通过实验观察可以得到光在不同介质中传播的现象，其中包括光线的折射和反射。

根据折射公式和反射公式，可以推导出光在两个介质之间传播速度的比值。

从而得到光速。

四、第三种方法：李萨如图法1. 实验原理李萨如图法是一种通过利用频率和波长之间关系测定光速的方法。

2. 实验步骤a. 准备两个正交的振动电极。

31. 测定光速的实验方法1． 1．斐索齿轮法1849年，斐索第一个不用天文观察，而在地面上的实验装置中测得光速。

此法实质上与伽利略提出的方法一致，不过用反射镜代替了第二个观察者，旋转的齿轮代替了用手启闭的开关。

换言之，即用反射镜保证行至第二观察者〔直〕的信号能立即返回。

并用齿轮来较准确的测定时间。

齿轮法的装置如图4所示。

光自垂直于图面的狭缝状光源s 出发，经过透镜L 和有半镀银面的平板M 1，而会聚于F 点。

在F 点所在的平面内，有一个旋转速度可变的齿轮W ，它的齿隙不遮光，而它的齿却能遮住所有会聚于F 点的光。

通过了齿隙的光，经过透镜L 1后成为平行光，透镜L 2将此平行光会聚在它自己焦点上的凹面反射镜M 2的外表上。

光至反射镜M 2后被反射沿原路回来。

如果在光由F 到M 2的一个往返的时间间隔Δt 内，齿轮所旋转的角度正好使齿隙被齿所代替，那么由M 2反回的光受阻，在透镜L 3后E 处看不见光；反之，如果齿隙被另一齿隙所代替，那么在E 处能看见由M 2反回来的光。

这样，当齿轮转速由零而逐渐加快时，在E 处将看到闪光。

当齿轮旋转而达第一次看不见光时，必定是图4中的齿隙1为齿a 所代替。

设齿轮此时的转速为每秒v 圈，齿数为n ，那么a 转到1所需的时间间隔另一方面，在此时间内光由F 到M 2，又由M 2返回到F ，走了路程2L,即 c L t 2=∆ vt η 2 1= ∆比拟所得的两式，那么有C = 4nL v。

〔4〕斐索用齿数720的齿轮，取2L等于1.7266×105米，发现第一次看不见光时齿轮的旋转速度为每秒12.6圈，测得光速为3.15×108米／秒。

这个实验中主要的误差是很难准确地定出看不见光的条件，因为齿有一定的宽度，当F不正好在齿的中央时光也能被遮住。

斐索之后，还有考纽〔1874〕，福布斯〔Forbes〕，以及珀罗汀〔Perotin〕等人先后改良了这个实验，所得结果均在2.99×l08和3.01×108米／秒的范围内。

实验三十六 光拍频法测量光速光速是物理学中重要的常数之一。

由于它的测定与物理学中许多基本的问题有密切的联系，如天文测量，地球物理测量，以及空间技术的发展等计量工作的需要，对光速的精确测量显得更为重要，它已成为近代物理学中的重点研究对象之一。

17世纪70年代，人们就开始对光速进行测量，由于光速的数值很大，所以早期的测量都是用天文学的方法。

到了1849年菲索利利用转齿法实现了在地面实验室测定光速，其测量方法是通过测量光信号的传播距离和相应时间来计算光速的。

由于测量仪器的精度限制，其精度不高。

而19世纪50年代以后，对光速的测量都采用测量光波波长λ和它的频率f 。

由c=f ·λ得出光的传播速度。

到了20世纪60年代，高稳定的崭新光源激光的出现，使光速测量精度得到很大的提高，目前公认的光速度为(299792458±1.2)m/s ，不确定度为4×10-9。

测量光速的方法很多，本实验采用声光调制形成光拍的方法来测量。

实验集声、光、电于一体。

所以通过本实验，不仅可以学习一种新的测量光速的方法，而且对声光调制的基本原理，衍射特性等声光效应有所了解，并通过实验掌握光拍频法测量光速的原理与方法。

[实验目的]1. 了解声光效应的应用。

2. 掌握光拍法测量光速的原理与方法。

[实验原理]本实验采用声光调制器产生具有一定频差、重叠在一起的两光束，从而方便地获得光拍频的传播。

通过光电倍增管检测光拍信号，用示波器比较光拍传播空间两点的位相，从而测量激光在空气中的传播速度。

一、 光拍的形成和传播光是一种电磁波，根据振动叠加原理，频率较大而频率差较小、速度相同的两同向传播的简谐波相叠加即形成拍。

若有振幅同为E 0、圆频率分别为ω1和ω2（频差Δω=ω2-ω1较小）的两列沿x 轴方向传播的平面光波，波动方程为：)cos(11101ϕω+-=x k t E E )cos(22202ϕω+-=x k t E E式中11/2λπ=k ，22/2λπ=k 为波数，1ϕ和2ϕ分别为两列波在坐标原点的初位相。

测定光速的方法及精度分析光速是一个具有重要物理特性的常数，它被定义为在真空中光在单位时间内通过的距离。

光速的准确测定对于物理学领域的研究至关重要。

本文将介绍一些测定光速的方法，并分析它们的精度。

第一种方法是利用干涉仪测光速。

干涉仪是一种能够利用光的波动性进行测量的仪器。

我们可以利用干涉仪的原理，将一束光分成两束，并使它们在不同的光程差下重新相遇。

通过测量这些重新相遇的条件，我们可以计算出光速。

这种方法的精度较高，可以达到百万分之一的准确度。

然而，该方法需要精密的仪器和实验设置，并且对实验环境的要求非常高。

第二种方法是利用频率和波长的关系进行测量。

根据光速的定义，光的速度等于光的频率乘以波长。

因此，我们可以通过测量光的频率和波长来计算光速。

这种方法在实际应用中非常常见，例如，通过激光测量器测量光的频率和波长，然后利用光速的定义求解光速。

这种方法的精度依赖于测量频率和波长的仪器的精度。

对于高精度的设备，可以达到百万分之几的准确度。

第三种方法是利用光的折射现象进行测量。

光在媒质中传播时会发生折射，其折射率与光速有直接关系。

通过测量光在不同介质中的传播速度，我们可以计算出光的速度。

这种方法不需要太多复杂的仪器和实验设置，因此更容易实施。

然而，它需要准确测量光的入射角度和折射角度，所以精度相对较低。

除了这些直接测量方法，还有一些间接方法可以用来测定光速，例如利用电磁波传播的速度等。

这些方法在特定领域有着重要的应用，并且也为测定光速提供了一些参考值。

在进行光速测量时，我们还需要考虑误差源和精度。

光速的测量结果可能受到实验仪器的精度、环境因素、人为误差等多种因素的影响。

因此，为了提高测量结果的精度，我们需要仔细控制这些误差源，并进行适当的修正。

此外，光速的精确测量对于科学研究和技术发展具有重要意义。

它不仅能帮助我们更好地理解光的本质和相对论物理，还可以应用于天文学、光学技术和通信工程等领域。

通过不断改进测量方法和提高测量精度，我们可以更加准确地获得光速的数值，为相关领域的发展贡献力量。

一、实验目的1. 了解光速的测量原理和方法。

2. 通过实验验证光速的数值。

3. 培养学生实验操作技能和数据处理能力。

二、实验原理光速的测量通常采用光在真空中传播的距离与时间的关系来计算。

根据光速公式 c = d/t，其中 c 为光速，d 为光在真空中传播的距离，t 为光传播所用的时间。

本实验采用光在空气中的传播速度来近似真空中的光速，通过测量光在空气中的传播距离和时间，从而计算出光速的数值。

三、实验器材1. 红外线激光器2. 秒表3. 光电门4. 线路连接线5. 实验桌四、实验步骤1. 将红外线激光器固定在实验桌上，调整激光器的方向，使其激光束通过光电门。

2. 将光电门与秒表连接，并确保连接牢固。

3. 打开秒表，让激光束通过光电门，记录下秒表的起始时间。

4. 再次打开秒表，让激光束通过光电门，记录下秒表的结束时间。

5. 重复步骤3和4，共进行5次实验，记录每次实验的起始时间和结束时间。

6. 计算每次实验的光速值，取平均值作为最终结果。

五、实验数据实验次数 | 起始时间（s） | 结束时间（s） | 光速（m/s）--------------------------------1 | 0.00 | 0.0032 | 31250002 | 0.00 | 0.0031 | 31250003 | 0.00 | 0.0030 | 31250004 | 0.00 | 0.0033 | 31250005 | 0.00 | 0.0032 | 3125000六、数据处理根据实验数据，计算每次实验的光速值，并取平均值：平均光速 = (3125000 + 3125000 + 3125000 + 3125000 + 3125000) / 5 = 3125000 m/s七、实验结果分析本次实验中，通过测量光在空气中的传播距离和时间，计算出光速的平均值为3125000 m/s。

由于实验条件限制，实际光速可能与该值存在一定误差。

光速的测量（位相法）光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有着密切的联系。

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、电子等基本粒子的质量等常数都与光速c相关。

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1/299,792,458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，如天文学中的光年。

1676年丹麦天文学家罗默通过观测木星对其卫星的掩食首次测量了光速。

自此以后，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速，先后有旋转齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。

1941年，美国人安德森利用克尔盒作为光开关，调制光束，测得光速值为2.99766×108m/s。

1952年，英国物理学家费罗姆用微波干涉仪法测量光速，测得光速值为299792.50±0.10km/s。

1973年和1974年，美国国家标准局和美国国立物理实验室用激光对光速作了测定，测得光速分别为299792.4574±0.0011km/s和299792.4590 ±0.008 km/s。

实验目的掌握一种新颖的光速测量方法，了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术。

实验原理物理学告诉我们，任何波的波长是波在一个周期内传播的距离，而波的频率是指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：c = λ• f (1)图1 两列不同的波图1中，第1列波在1秒内经历3个周期，第2列波在1秒内经历1个周期，在1秒内二列传播相同距离，所以波速相同，只是第2列波的波长是第1列的3倍。

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。