光拍法测量光的速度

《近代物理实验》

实验资料

（第一部分）

2012.3.6

写在实验前的话

既然你选择了物理，不管是主动选择还是被动选择，你就应该热爱实验，认真做好实验，尊重实验客观现象。要摆正实验目的，实验不是简单的为了获得数据，要注重实验过程，实验过程多思考，多问为什么。当你回避或敷衍应付实验时，你在实验方面将一无所获。如果你通过学习本课，你深刻理解了每个实验的巧妙的实验思想，当你由此叹服科学家们的奇思妙想，并因此为解决某个问题在脑里产生各种实验设想时，即使这些设想是异想天开的，但我还是我祝贺你，祝贺你爱上了实验，你已经学会了在实验中享受快乐。

在我看来，错过一门实验课的学习要比错过一门理论课的学习损失得多。因为只要你足够聪明，只要你有时间，只要你愿意，你还是有可能把错过的理论课重新学好，而实验课则不然，因为你不可能自己拥有一个实验室。

也许到目前为止，你可能认为实验报告是很容易写的。在我看来，与其写一百个没有任何思考的实验报告，不如写一、两个精品实验报告收获更多。应付式的实验报告只会是浪费时间，就犹如你到了大三还在做加减练习一样毫无意义。我希望你认真写出经过思考有独立见解的实验报告，如果哪天我准许你免交实验报告时，恭喜你学会了写报告。从以往批改的实验报告来看，只有少数同学知道怎样去处理实验数据，也只有少数同学愿意花时间来认真学习数据处理方法——虽然这是物理学科学生最必备的知识；只有少数同学知道怎样正确使用万用表和示波器等常用仪器。我希望通过学习本课，能真正提高你的数据处理能力（广义的实验数据包括数字、现象、图形、特征等），希望你在实验过程中注意知识的积累；希望你对于不理解的问题，能主动与老师交流，或查阅有关文献或网络。

对于考研的同学，我支持，但考研不能成为要求我对你放松的理由；对于学生干部，我支持你的工作，但教学计划外的任何事情都不能影响到教学计划内的教学。可能你只是考虑到自己的利益，而我要考虑的是对所有同学的公平。

一、实验目的

1．理解光拍频概念及其获得。

2．掌握光拍法测量光速的技术。

二、实验原理

光拍频法测量光速是利用光拍的空间分布,测出同一时刻相邻同相位点的光程差和光拍频率,从而间接测出光速。

1、光拍的产生和接受

根据振动迭加原理，两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。假设有两列振幅相同(只是为了简化讨论)、角频率分别为ω1和ω2的简谐拨沿x方向传播。

10111cos()EEtkx

20222cos()EEtkx

k1=2/1，k2=2/2称为波数，1和2称为初位相，这两列简谐波迭加后得：

121212121202coscos2222xxEEEEttcc （1）

E是以角频率为122，振幅为12122cos022xEtc的前进波。注意到其振幅是以角频率122随时间作周期性的缓慢变化。所以称E为拍频波，其中

122F,F称为拍频。s是拍的波长。

2、相拍二光束的获得

假设超声波,cos0uytutkyss沿y方向以行波传播,它引起介质在y方向的应变为：

00sinsinsssssuSuktkystkyy （2）

若介质y方向的宽度b恰好是超声波半波长的整数倍,且在声源相对的端面敷上反射材料,使超声波反射,在介质中形成驻波声场,,2coscos0uytutkyssg，它使介质在y方向的应变为：

002cossin2cossinsssssuSuktkystkyy （3）

光速的测量 光拍法

光拍法是一种测量光速的方法，它基于光在真空中传播的速度是恒定不变的原理。光拍法的原理是利用光的反射和干涉现象，通过测量光的行进时间来计算光速。

我们需要准备一台精密的光学仪器。这台仪器包括一个激光发射器和一个光电探测器。激光发射器会向一个特定的目标发射一束激光，而光电探测器会接收到反射回来的光信号。

在进行实验之前，我们需要确定测量的距离。这个距离需要足够长，以确保光的行进时间不会被测量误差影响。一般来说，数百米到数千米的距离是比较合适的。

接下来，我们开始实验。首先，我们将仪器中的激光发射器对准目标，并启动激光发射器。激光会以光速传播到目标处，并反射回来。

当反射回来的光信号被光电探测器接收到时，我们就可以记录下这个时间点。同时，我们还需要记录下激光发射器启动的时间点。通过这两个时间点的差值，我们可以得到光的行进时间。

通过已知的距离除以光的行进时间，我们就可以计算出光速的值。这个计算过程非常简单，只需要用距离除以时间即可。

光拍法的优点是测量精度高，可以达到亚微秒级别，而且实验方法较为简单。但是光拍法也有一些局限性。首先，它需要较长的测量距离，这对于实验条件来说可能会有一定的限制。其次，光拍法对仪器的要求比较高，需要使用精密的光学仪器才能进行准确的测量。

除了光拍法，还有其他一些测量光速的方法，如迈克尔逊干涉仪法和法拉第转台法等。这些方法各有优劣，可以根据实际需求选择合适的方法进行测量。

总结起来，光拍法是一种利用光的反射和干涉现象来测量光速的方法。通过测量光的行进时间和已知的距离，我们可以计算出光速的值。光拍法具有测量精度高、实验方法简单等优点，但也有一定的局限性。通过不断的研究和改进，相信光拍法在光速测量领域会有更广阔的应用前景。

1 声

摘要：本实验通过利用声光效应原理及驻波法产生声光频移，利用光拍法测量光速，同时观察了超声波的频率、声光晶体的转角对衍射现象的影响。在本实验中在超声波频率为Ω=75.055MHz下侧得的光速大小为c=3.117*10^8m/s

关键词：声光效应、频移、双光速相位比较法、光拍频波、驻波法

一、 引言

光速是最基本的物理常数之一，光速的精确测量和特性研究与近代物理学和实验技术的许多重大问题关系密切。由于光速的数值很大，光波的波长很小，其测量面临着一系列问题。直到1960年出现激光后，用激光得到现在认为最精确光速值c=(299 792 458±1)m/s。声光效应在光信号处理和集成光通讯方面有重要应用。

本实验利用声光效应可以产生光拍频波，最后通过对光拍频波光强信号的检测可以间接地测得光速。

二、 实验原理

2.1 光拍频波

根据波的叠加原理,两束传播方向相同,频率相差很小的简谐波相叠加即形成拍。对于振幅都为E0，圆频率分别为ω1和ω2，且沿相同方向（假设为沿x方向)传播的两束单色光

1011cos[(-)]xEEtc 2022cos[(-)]xEEtc

它们的叠加为：

121212121202cos[()()]cos[()()]2222xxEEEEttcc

当ω1＞ω2,且Δω=ω1-ω2较小时，合成光波是带有低频调制的高频波，振幅为121202cos[(-)()]22xEtc，角频率为122，振幅以122f频率周期性地缓慢地变化。（如图1）

图1 拍的形成 图2、Ic在某个时刻的空间分布

2 2.2 拍频信号的检测

在实验中我们用光电检测器接受光信号，光电检测器所产生的光电流与接受到的光强成正比： 2IgE„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„公式 1