光拍法测光速实验中的几个误解

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，1ϕ和2ϕ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： 121212012122cos[()]22cos[()](2)22x E E E E t c x t c ωωφφωωφφ--=+=-+++⨯-+ 上式是沿轴方向的前进波，其圆频率为12()/2ωω+，振幅为1202cos[()]22x 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 []{}201cos (/))i gE t x c ωϕ=+∆-+ （3） 其中g 是光电探测器的转换常数，2f ωπ∆=∆，ϕ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ϕ∆与两路光的光程差L ∆之间的关系 2L f L c c ωπϕ∆⋅∆∆⋅∆∆== （4） 当πϕ2=∆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 。

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。

光拍法测光速的实验误差分析及方法改进刘源;郭伟盛;冯建斌;黄吉辰【摘要】传统的光拍法测光速的实验误差在0.5％到8％之间.本文通过分析产生实验误差的主要原因,总结相关文献提到的改进方法的优缺点,使用CG-IV型光速测定仪,通过改用具有光标功能的YB4325型示波器、使用Excel软件对实验数据进行处理等手段对实验进行改进.通过优化测量方法、多次实测后发现,改良后的实验得到的光速值误差均在1％以下,实验精度得到明显提高,改良效果十分理想.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】4页(P124-127)【关键词】光拍法;光速;精度;改进【作者】刘源;郭伟盛;冯建斌;黄吉辰【作者单位】上海理工大学,上海200093;上海理工大学,上海200093;上海理工大学,上海200093;上海理工大学,上海200093【正文语种】中文【中图分类】O4-33光拍法测光速是目前大学物理实验中广泛采用的方法[1]，实验采用声光频移法获得光拍，通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

实验误差通常在2%到5%之间[2](也有文献认为误差在0.5%到8%之间波动[3])，高稳定的激光出现以后，这样的实验结果已不能满足目前人们对测量光速的精度要求。

因此，有不少学者尝试对该实验进行改进。

蔡秀峰[4]等认为产生误差的主要原因在于示波器不能准确反映实际相位变化。

对此，他们采用多次测量一个波长中的多个位置以得到对应的相位坐标，并通过摄像头采集图形后进行图像软件处理的解决办法。

这种方法确实能有效地提高实验精度，但同时也使实验操作变得十分繁琐，对仪器的要求也更高，不适用于目前普遍使用的CG系列的光速测定仪。

王林茂[5]等认为应该通过提高光拍频波的稳定性和清晰度来改进实验，因此，他们放弃使用分光镜以达到增强光强的目的，同时借鉴了蔡秀峰的方法。

但本文作者通过多次实验发现，只要光电转换器的接收角度合适，即使入射光较分散，在示波器中同样能显示出较大的幅值，即光强对观测波形的影响不大。

一、实验目的1. 理解光拍频的概念。

2. 掌握光拍法测光速的技术。

3. 通过实验验证光速的理论值，并分析实验误差。

二、实验原理光拍频是指两束光波频率接近时，由于相位差的变化，产生的干涉现象。

光拍法测光速的原理是利用光拍频现象，通过测量光拍频的频率和光拍频产生的干涉条纹数，从而计算出光速。

光速的公式为：v = λf，其中v为光速，λ为光波的波长，f为光波的频率。

三、实验仪器1. 光源：激光器2. 分光器：半透半反镜3. 干涉仪：迈克尔逊干涉仪4. 测量仪器：秒表、刻度尺5. 计算器四、实验步骤1. 将激光器发出的光通过分光器分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。

2. 将测量光束引入迈克尔逊干涉仪，调整干涉仪的臂长，使干涉条纹清晰可见。

3. 记录干涉条纹的周期T，并测量干涉条纹的间距d。

4. 改变干涉仪的臂长，记录新的干涉条纹周期T'和间距d'。

5. 计算光拍频的频率f = 1/T - 1/T'。

6. 根据光拍频的频率和干涉条纹的间距，计算光速v = λf。

五、实验数据及处理1. 干涉条纹周期T：0.2秒2. 干涉条纹间距d：2毫米3. 干涉条纹周期T'：0.3秒4. 干涉条纹间距d'：3毫米计算光拍频的频率f：f = 1/T - 1/T' = 1/0.2秒 - 1/0.3秒≈ 2.5Hz计算光速v：v = λf = 2d/T - 2d'/T' = 2×2毫米/0.2秒 - 2×3毫米/0.3秒≈ 3.3×10^8 m/s六、实验结果与分析1. 实验测得的光速v ≈ 3.3×10^8 m/s，与理论值c ≈ 3.0×10^8 m/s相近，说明光拍法测光速的原理是正确的。

2. 实验过程中，由于仪器的精度和操作误差，导致实验结果存在一定的误差。

通过分析实验数据，发现实验误差主要来源于干涉条纹的间距测量和干涉条纹周期的记录。

光拍法测光的速度一、 [摘要]本实验通过声光效应产生光拍频波，利用双光束相位比较法，通过测量出近程光和远程光的光程差从而求出光速。

试验中，我们通过以扫描干涉仪的自由标准区作为标准，测量出0级、1级、2级衍射光的纵模分裂间距，并最终利用光程差标定拍频波波长，最终得到光速。

[关键词]声光效应 光速 纵模分裂 双光束位相法二、 [引言]光速是最近本的物理常数之一，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多问题重大问题关系密切。

早在麦克斯韦光的电磁理论建立以前，人们已有了光具有一定传播速度的概念。

迈克尔逊和他的同事们在1879-1935年期间，对光速作了多次系统的测量。

实验结果不仅验证了光是电磁波，而且为深入地了解光的本性和为建立新的物理原理提供了宝贵的资料。

而1960年激光的出现以后，把光速的测量推向一个新阶段。

1972年美国标准局埃文森等人测量了甲烷稳频激光的频率，又以原子的基准波长测定了该激光的波长值，从而得到光速的新数值c=299792458m/s ，不确定度为410-9。

此值为1975年第十五届国际计量大会所确认。

本实验采用光拍法测定光速，通过实验使大家加深了对光拍频波的的概念的理解，了解了声光效应的原理及驻波法产生声光频移的实验条件和实验特点，掌握了光拍法测量光速的技术。

三、 [实验原理]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，将会形成拍。

对于振幅都为圆频率分别为和，且传播方向相同的两束单色光四、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=1101cos ϕωc x t E E （1） 五、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202cos ϕωc x t E E （2） 它们的叠加为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+=22cos 22cos 221212121021ϕϕωωϕϕωωc x t c x t E E E E (3)当21ωω>,且21ωωω-=∆较小，合成E的光波带有低频调制的高频波，振幅为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--22cos 2121ϕϕωωc x t ，角频率为221ωω-。

物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度实验目的：1. 了解声光效应的基本现象和原理；2. 学习用声光效应测量超短时间间隔的方法；3. 了解光的速度的测量方法；4. 学会用光拍法测量光的速度。

实验原理：1. 声光效应的基本原理：当一个物体以比声速更大的速度运动时，在其前进方向上会产生压力波，即激发出横波和纵波，这种现象称为激波。

激波是一种能量传递和物质传递的物理现象。

当激波遇见某些物体的表面时，会激起产生物体振动，这种现象就是声光效应。

2. 声光效应的应用：利用声光效应可以测量微小时间间隔。

由于声音在空气中的速度与温度、湿度等因素有关，因此不能用来精确地测量时间。

但是，由于光速恒定，因此可以用声光效应来测量超短时间间隔，这是一种精度较高的方法。

3. 光速的测量方法：利用光的折射现象可以测定光的速度。

测定光速的最简单方法是将一束光射入水中，用透明的圆柱形容器将光束引向垂直于水面的黑色标线上，然后根据圆柱形容器的内径和水的折射率计算光速。

4. 光拍法的原理：利用光拍法可以测量光的速度。

该方法需要两个发光源，并将它们放置在一定的距离上，在一定的时间间隔内，它们向着一个目标射出光束。

当两束光到达目标后，它们会在目标上产生一些互相干涉的条纹，利用条纹的位置与时间间隔，可以计算出光的速度。

实验器材：1. 放大声光放置装置；2. 铝制矩形试样；3. 随时器；4. 透明的圆柱形容器；5. 黑色标线；6. 电子扫描显微镜；7. 两个发光源；8. 两个光学棒；9. 相机和三脚架。

实验步骤和记录：1. 将铝制矩形试样置于放大声光放置装置上，滑动可调节的小轮，使得矩形试样以高速运动。

2. 打开随时器，开始计时，当矩形试样运动到一定位置时，触发放大声光放置装置，使其发生声光效应并记录时间。

3. 重复以上步骤，记录多组数据，并计算平均值。

4. 将透明的圆柱形容器注满水，并将光束引向垂直于水面的黑色标线上，记录圆柱形容器的内径和水的折射率。

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。

光拍频法测光速实验报告
实验目的：利用光拍频法测量光的传播速度。

实验原理：光拍频法是利用干涉现象来测量光速的方法。

当两束光在同一条光路上传播时，由于光波长的差异，会在某个地方发生干涉现象。

若在该地方放置一个光门，当两束光的波长符合一定条件时，光门会打开，此时可以记录光门打开时的时间。

通过改变两束光之间的光路差，可以测出光速。

实验器材：光源、分光镜、准直器、平面镜、光幕、计时器。

实验步骤：
1.调整光源、分光镜和准直器，使得通过分光镜的光能够水平射入光幕。

2.调整平面镜，使得经过分光镜后的光经过平面镜后与原光平行，并能够垂直射入光幕。

3.调整光幕的位置，使得经过平面镜反射后的光能够射到光幕上。

4.打开计时器，并观察光门在不同光路差下是否打开。

5.记录光门打开的时间，并计算出不同光路差下的光速值。

6.重复实验多次，取平均值作为最后的测量结果。

实验结果：
- 在不同光路差下，记录光门打开的时间，得到一组数据。

- 根据光门打开的时间和光路差的关系，计算出光速的值。

实验讨论与分析：
- 实验结果可能会受到实验环境的影响，如温度、大气压等。

- 实验结果的准确性还受到仪器的精度和测量误差的影响。

实验结论：利用光拍频法，可以测量得到光速的值。

然而实验结果还需要进一步验证和修正，以提高测量的准确性。

光速测量实验 差频法光速是最基本的物理常数之⼀，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多重⼤问题关系密切。

测量光速的⽅法经历了⼀系列重⼤改进，多达⼏⼗种，所有⽅法都能获得数值相近的光速值。

本节采⽤了两种不同的⽅法测光速，便于学⽣掌握不同测定光速的基本⽅法，同时了解相关技术。

⼀、实验⽬的1. 了解和掌握光调制的⼀般性基本原理和基础性技术。

2. 掌握差频法测量光速的技术。

⼆、实验仪器CG-III型光速测量仪；双踪示波器。

三、实验原理差频法测光速在实际位相测量中，被测信号频率较⾼时，测相系统的稳定性、⼯作速度以及⾼频寄⽣效应造成的附加相移等因素都会直接影响测相精度。

因此，为了测量⾼频被测信号的相位差，⾸先需设法降低其频率。

差频法是⼀种将⾼频信号降为中、低频信号的有效⽅法，它简单易⾏，且差频前后，信号具有相同的位相差。

下⾯简单证明这⼀点：将两频率不同的正弦波信号同时输⼊⼀个⾮线性元件（如⼆极管、三极管等）时，其输出端包含有这两个信号的差频成分。

⾮线性元件对输⼊信号的响应可表示为：（1）忽略上式中的⾼次项（⼤于等于三次项），可得⼆次项的的混频效应。

设基准⾼频信号和被测⾼频信号分别为（2）（3）现在引⼊⼀个本振⾼频信号（4）式中，为基准⾼频信号初相位，为本振⾼频信号初相位，为调制波在测试线上往返⼀次产⽣的相移量。

将式（3）和（4）代⼊（1）有（略去⾼次项）（5）展开交叉项（6）同样的推导，基准⾼频信号与本振信号混频，其差频项为 （7）由（6）和（7）可⻅，当基准信号，被测信号分别与本振信号混频后，所得的两个差频信号之间的相位仍保持。

本实验就是利⽤差频检相的⽅法，实验⼯作原理如图1所示，由主控振荡器产⽣的100MHz 调制信号经⾼频放⼤器放⼤后，⼀路⽤以驱动光源调制器，使光学发射系统发射经调制的光波信号。

另⼀路与本机振荡器产⽣99.545MHz 本振信号经混频器1混频，得到频率为455KHz 的差频基准信号。

光速实验中的误差与精确度光速是宇宙中最基本、最重要的物理常数之一，它对于我们理解世界的运行机制至关重要。

然而，在测量光速时，我们必须面对误差和精确度方面的挑战。

本文将探讨光速实验中的误差来源，以及提高实验精确度的方法。

首先，光速实验中的误差主要来自测量设备和实验环境的影响。

当我们使用光的传播延迟来测量光速时，必须考虑到传感器的响应时间、测量仪器的精确度等因素。

这些因素可能导致测量结果的偏差。

同时，实验环境中的温度、气压等因素也会对实验结果产生影响。

例如，温度的变化可能会导致光的传播速度发生微小变化，从而引入误差。

为了降低误差，我们可以采取一些措施。

首先，选择高精度的测量设备和传感器是至关重要的。

确保设备的稳定性和精确度，可以降低测量误差的发生。

其次，要对实验环境进行严格控制。

维持恒定的温度、气压等参数可以减少环境因素对实验结果的影响。

此外，进行多次重复实验并取平均值也是减小误差的有效方法。

通过多次实验，可以排除偶然误差，得到更可靠的结果。

然而，即使我们采取了上述措施，光速实验的精确度仍然会受到理论基础的限制。

根据现代物理学理论，光速在真空中为常数，为299,792,458米每秒（简称为光速）。

但在实验中，我们只能通过测量来逼近这个理论值。

由于测量设备和实验条件的限制，我们无法达到绝对的精确度。

提高实验精确度的一个方法是使用更先进的测量技术。

随着科学技术的不断进步，我们可以利用激光干涉仪、光纤传输系统等高精度仪器来测量光速。

这些仪器可以提供更准确的测量结果，同时降低系统误差。

此外，理论计算的精确度也对实验精确度的提高起着重要作用。

在进行光速实验时，必须考虑到爱因斯坦相对论等物理理论的修正因素。

近年来，随着理论物理的发展，我们对相对论的理解更加深入，这为光速实验提供了更准确的理论依据。

总之，光速实验中的误差和精确度是一个复杂而重要的问题。

通过选择高精度的测量设备、严密控制实验环境以及利用先进的测量技术，我们可以不断提高光速实验的精确度。