光速的测定光的相速度和群速度.ppt

世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年做了一个实验。当时，他叫甲乙两个人在夜间各带一只灯，分立在两个山顶上，甲先迅速取去灯罩对乙发出信号，乙在看到信号后，立即取去灯罩，对甲发出信号。两山的距离和光往返的时间来计算光速。由于当时的技术条件限制，测得的光速很不精确。,7.1 光速的测定 光的相速度和群速度,1 实验室方法,伽利略（Galileo Galilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。,后来，法国物理学家斐索于1849年用一只旋转的齿轮测量光走过某一给定距离的时间，齿轮以一定的速度运动并让光通过齿间。斐索测得的光速为313000公里秒。斐索先后研究了光的干涉、热膨胀等，发明了干涉仪。他在研究和测量光速问题上作出了贡献，是第一个不用天文常数、不借助天文观察来测量光速的人。他是采用旋转齿轮的方法来测定光速的。测出的光速为 342539.21千米/秒，这个数值与当时天文学家公认的光速值相差甚小。,斐索（1819-1896）法国物理学家,后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。他让镜子以一定的速度转动，使它在光线发出并从一面静止镜子反射回来这段时间内，恰好旋转一周。傅科在物理学史上以其“傅科摆”的实验著名于世。 在光速测定的研究中，他是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。其测得的光速为29.8×107米/秒，并分析实验误差不可能超过5×105米/秒。,傅科（Jean Bernard Leon Foucault 18191868）法国实验物理学家,1834年，英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火花持续的时间，也想用此法来测定光速，同时也想确认一下在拆折射率更大的介质中，光速是否更大。惠斯通的思想方法是正确的，但是他没有完成。 迈克耳逊继承了傅科的实验思想，用旋转八面棱镜法测得光速为299796千米/秒。,惠斯通（CharlesWheatstone 18021875）英国物理学家、发明家,迈克耳孙，阿尔伯特·亚伯拉罕(A.Michelson18521931)，德国出生的美国物理学家,随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装置和技术，直到1932年用旋转棱镜测得光速为299774±2公里秒。20世纪60年代，激光器的出现，使光速的测定越发精确，1972年测定的光速值为299792公里秒。目前国际计量委员会承认的光速是299792458米±1.2米秒。 从伽利略开始，中间经过斐索和傅科等人，一直到20世纪80年代，用来测定光速的实验都是一种定量实验。,真空中光速c不仅是重要的光学常数，也是整个物理学以及天文学中几个最基本的普适常数之一，对其数值的精确测定，无疑具有十分重大意义的。 另一个天文学方法是1728年布喇德雷用的光行差法。在地面上进行光束测定的工作直到十九世纪上半叶才开始，特别值得提起的有斐索的齿轮法，傅科的旋转镜法和迈克耳孙的旋转棱镜法。 鉴于光速这一基本常数的重要性，对它的测量工作几十年来从未中断，在此期间方法不断改进，精确度不断提高。,2 光速的测量与长度单位“米”的定义,自从1958年绅鲁姆利用微波干涉仪法得到当时公认的光速值c=299792.5±0.1km/s以来，所有的光速精密测量均以公式c=为基础，即电磁波在真空中的传播速度等于其频率与相应真空波长之乘积。当时的不确定度是3×10的7次方，其主要原因是使用的波长较长（4mm），因此波长测量的准确度较低，衍射效应带来的误差也较大。,用双缝干涉测光的波长,激光器的出现把光速的测量推向一个新阶段。特别是饱和吸收技术的采用，使我们可以得到频率的稳定性和复现性均十分优良的激光辐射，并且由于波长可以比原来微波干涉仪法中用的小三个量级（微米量级），使波长测量的准确度大为提高，甲烷稳定的3.39m 氦氖光系统（He-Ne:CH4）和碘稳定的633nm氦氖辐射波长的复现性高百倍以上，比现行的“米”定义86Kr辐射波长的复现性高百倍以上，因此这不仅是光速的测量问题了，重新改变“米”的定义问题提上议事日程。,米定义咨询委员会保证，不管光速的推荐值于1975年在第十五届国际计量大会上得到正式通过。从此就有可能利用激光辐射或光速重新定义长度的单位“米”。 1975年第十五届国际计量大会和1979年第十六届国际计量大会慎重地讨论了重量重新定义米的问题。 考虑到今后计量学的发展趋势是将物理量的基准建立在基本物理常数的基础上，米定义咨询委员会通过了一项建议，要求国际计量委员会考虑一个新的米定义，于1983年提交第十七届国际计量大会讨论， 这个定义是： “米是平面电磁波在（1/299792458）秒的持续时间内在真空中传播行程的长度”。,根据光的微粒说，光在两种媒质界面上折射时，傅科做实验测定空气和水中光速之比近于4:3，此数值与空气到水的折射率相符，从而判定光的波动说的正确性。 虽然在傅科实验完成之前，光的波动说已为大量事实（如干涉、衍射、偏振等）所证明，但傅科的实验仍被认为是对惠斯原理最直接和最有力的支持，然而随着测定光速方法的改进，问题又复杂化了. 1885年迈克耳逊以较高的精度重复了傅科实验的同时，还测定了空气和CS2光速之比为1.758，但是用折射法测定的CS2折射率为1.64，两数相差甚大，绝非实验误差所致，这矛盾直到瑞利提出“群速”的概念之后才解决。,3 光的相速度和群速度,一列有限长的波相当于许多单色波列的迭加，通常把由这样一群单色波组成的波列叫做波包。 当波包通过有色散的媒质时，它的各个单色分量将以不同的相速前进，整个波包在向前传播的同时，形状亦随之改变，我们把波包中振辐最大的地方叫做它的中心，波包中心前进的速度叫做群速，记作g。,为简单起见，我们考虑由两列波组成“波包”。设两列波分别为 即两波的频率（或波长）很接近，它们合成的波列为,此波的瞬时图像如下图所示，是振辐受到低频调制高频波列，这调制波列有一系列的最大值，因而它还算不得是一个典型的波包。要得到一个真正的波包，需有更多频率和波长相近的波迭回在一起 。,