光速测定-大物实验

VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
光拍信号的检测：
结果中高频项为零，只留下常数项和缓变项，
是与拍频 f 相 缓变项即是光拍频波信号， 应的角频率， 1 2 为初位相。 可见光检测器输出的光电流包含有直流和光拍 信号两种成分。滤去直流成分 ，检测器输出频 率为拍频 f 初相位 ，相位与空间位置有关的光拍信 号。
数值：299792457.4±0.1米/秒。
VELOCITY OF LIGHT : 实验概要 ...
测本 量实 光验 拍是 的用 波声 长光 和频 频移 率法 来获 确得 定光 光拍 速， 。通 过
光 速 测 量
掌 握 光 拍 法 测 量 光 速 的 原 理 和 实 验 方 法 。
光 拍 法 测 量 光 速
VELOCITY OF LIGHT :国际基本单 位…
物理量 长度 质量 时间 电流强度 热力学温度 物质的量 发光强度
符号 m kg s A K mol cd
名称 米 千克（公斤） 秒 安[培 ] 开[尔文] 摩[尔] 坎[德拉]
VELOCITY OF LIGHT :基本物理常 量…
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
光拍的获得及光速的测量：光速c的测量
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。由公式 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。 若两光拍信号的相位差小于2π时，
⑸接通稳压电源开关。指示灯亮，15V电源工作正常。 ⑹使激光束水平通过通光孔与声光介质中的驻声场充分互相作用（已调好 不用再调），调节频率微调旋钮，使产生二级以上最强衍射光斑。 ⑺ 光栏高度与光路反射镜中心等高，使+1或-1级衍射光斑通过光栏入射到 相邻反射镜的中心（已调好不用再调）。 ⑻ 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，打开光电接收器盒上的窗口 可观察激光是否进入光敏面，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。
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
光拍的获得及光速的测量：光拍的获得—产生频移的方法b：驻波法
用声波的反射，前进波 与反射波在介质中形成 驻波超声场，此时沿超 声传播方向，介质的厚 度恰为超声半波长的整 数倍，这样的介质也是 一个超声位相光栅，它 使激光束产生多级对称 衍射，衍射效率比行波 法要高。
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
光拍信号的检测：
用光电检测器（如光电倍增管等）接收光拍
频波，可把光拍信号变为电信号。因为光电检 测器光敏面上光照反应所产生的光电流与光强 （即电场强度的平方）成正比，即
i0 gE
2 s
g为接收器的光电转换常数。
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
式中， k1 2 / 1 k2 2 / 2 为波数， 1和 坐标原点的初位相。
2分别为两列波在
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
光拍的形成及其特征：
若这两列光波的偏振方向相同，这二列波叠加后得：
1 2 1 2 x 1 2 x 1 2 Es E1 E2 2E cos[ (t ) ] cos[ (t ) ] 2 c 2 2 c 2
VELOCITY OF LIGHT : 实验动画...
VELOCITY OF LIGHT : 疑难解答 ...
1、光拍是如何形成的？ 答：声光频移法获得光拍。 2、实验中采用什么方法获得相拍两光束？
答：光的衍射。
3、分析实验误差来源，并讨论提高实验精度的方法。 答：光路位移差、示波器读数误差。
VELOCITY OF LIGHT : 注意事项 ...
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
光拍的获得及光速的测量：光拍的获得—产生频移的方法a：行波法
在声光介质内与声源（压电换能 器）相对的端面上敷以吸声材料， 防止声反射，以保证只有声行波
源自文库
通过介质，如图所示。 超声波在介质中传播，引起折射 率的周期性变化，使介质成为一 个位相光栅，激光束通过介质时 发生衍射。声、光相互作用的结 果，激光束产生对称多级衍射。
光速测量实验介绍 ...
光学部分 浙大物理实验教学中心编制
VELOCITY OF LIGHT : 简介 ...
光速是物理学中一个具有代表性的基本常数。 许多物理概念和物理量都与它有密切的联系。 光速值的精确测量将关系到许多物理量值精确 度的提高，所以长期以来对光速的测量一直是 物理学家十分重视的课题。无论是哪一个时代 ，几乎都动员了最先进的科学技术对光速进行 测量。尤其近几十年来天文测量、地球物理、 空间技术的发展以及计量工作的需要，使得光 速的精确测量已变得越来越重要。光的偏转和 调制，则为光速测量开辟了新的前景，并已成 为当代光通信和光计算机技术的中心课题。
光拍的形成及其特征：
根据振动迭加原理，两列速度相同、振面相同、频差较小而同向传播的
简谐波的叠加即形成拍。 设有两列振幅E相同（为了讨论问题方便）、频率分别为f1和f2（频差 △f= f1 －f2较小）的二光束：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos(2t k2 x 2 )
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光拍信号的检测：
光拍的空间分布示意图
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光拍的获得及光速的测量：光拍的获得
光拍频波产生的条件是二光束具有一定的频率差
（为产生光拍频波，要求相叠加的两光波具有一定的 频差）。 使光束产生固定频移的方法很多，利用声波与光波 相互作用发生声光效应是一种最常用的方法。介质中 的超声波能使入射的光束发生衍射，这就是所谓的声 光效应。出射光发生衍射，改变了入射光束的传播方 向，衍射光的频率也产生了与超声波频率有关的频率 移动，可达到获得确定频率差的二光束的目的。 声光衍射分为拉曼—奈斯衍射和布拉格衍射两种。 本实验是用超声波在声光介质与He—Ne激光束产生 声光效应来实现的。
VELOCITY OF LIGHT : 内容与步骤...
实验步骤：
⑼ 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，8、9两步应反复调节，直到达到要求为止。 ⑽ 由频率计测量信号源的工作频率。 ⑾ 示波器上波形振幅可以通过调节光电二极管（光敏面）的方位来改变，以达到 最大振幅。 ⑿ 接通斩光器的电机开关（在±15V稳压电源上），调节微调旋钮使斩波频率约30 赫兹左右，则借助示波管的余辉可在屏上同时显示出近程光、远程光和零信号的波 形。 ⒀ 手摇移动导轨上的装有正交反射镜的滑块，改变远近光的程差，可使相应二光 拍信号同相（位相差为2π）。 ⒁ 测量光程差ΔL，拍频Δf=2F，其中F为功率信号源的工作频率。 ⒂ 根据公式C=2πfΔL/ΔΦ，计算光速C。
光拍信号的检测：
光波的频率：
f0 1014 Hz
光电接收管的光敏面响应频率一般≤
108 Hz
因此检测器所产生的光电流都只能是在响应
时间τ（
i0 1
1/ f0 1/ f0 ） 内的平均值。
0
i dt
2
x gE {1 cos[ (t ) ]} c
实验内容：
1、分析声光衍射现象。 2、测量光速。
VELOCITY OF LIGHT : 内容与步骤...
实验步骤： ⑴ 检查确认实验线路的连接。 ⑵ 使示波器处于外触发工作状态，Y轴衰减和扫描速度按输入信号适当选择。注意 必须使示波器处于触发工作状态（无外触发信号扫描），否则不能准确比较光拍信 号的位相差。 ⑶ 接通电源开关。 ⑷ 调节电位器，使表头指针指示在5mA左右，待激光器输出稳定后进行实验（15 分钟后激光器输出趋于稳定）。
c f X L( 2 F ) x
只要测出X，x，L和F即可计算出光速c的值。
VELOCITY OF LIGHT : 实验方法 ...
微波谐振腔法 激光测速法 Kerr盒调制光强法
光谱学法
微波干涉仪法
VELOCITY OF LIGHT : 仪器剖析...
光速测定仪：
VELOCITY OF LIGHT : 内容与步骤...
1．光路一定要调正确。 2．远程光和近程光必须保证都进入光电池。 3．入射光要通过声光移频器。 4．禁止打开机壳。 5．实验结束后及时关闭电源。 6.请讲卫生，整理好桌面。
VELOCITY OF LIGHT : 参考资料 ...
1.大学物理实验教程浙江大学出版社。 2.大学物理实验武汉大学出版社。 3.大学物理导论清华大学出版社。 4.普通物理实验高等教育出版社。 5.改变世界的物理学复旦大学出版社。 6.固体物理学中南大学出版社。 7.工程光学机械工业出版社。 8.英汉物理学词汇北京大学出版社。 9.物理实验手册机械工业出版社。 10.普通物理实验高等教育出版社。 11.大学物理通用教程北京大学出版社。 12.现代光学基础北京大学出版社。 13.电子仪器与测量技术中国科技大学出版社。 14.大学物理浙江大学出版社。
VELOCITY OF LIGHT : 简介 ...
VELOCITY OF LIGHT : 简介 ...
光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。它不仅推动了光学实验，
也打破了光速无限的传统观念；在物理学理论研究的发展里程中，它不仅为粒子说和波 动说的争论提供了判定的依据，而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展。 在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时 间，是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。1607 年，伽利略进行了最早的测量光速的实验。 1849年，法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。他的方法原理与伽利 略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透 镜的另一测较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处。 点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上 聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察 者就可以看到返回的光，当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失 的时间就是光往返一次所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间不难求出。通过这种方 法，菲索测得的光速是315000千米/秒。由于齿轮有一定的宽度，用这种方法很难精确 的测出光速。
VELOCITY OF LIGHT : 简介 ...
1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年，贝
奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒。 光波是电磁波谱中的一小部分，当代人们对电磁波谱中的每一种电磁波都进行了精 密的测量。1950年，艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是，微 波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的 波长，在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长，由波长和频率可计算出光速。 当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年，弗鲁姆求出光速 的精确值：299792.5±0.1千米/秒。1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳
了 解 声 光 频 移 法 获 得 光 拍 的 方 法 。
声 光 频 移 法
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
GY—Ⅲ型光速测定仪原理示意图
VELOCITY OF LIGHT : 基本原理 ...
GY—Ⅲ型光速测定仪原理示意图
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