《光速的测量》PPT课件.ppt

光速的测定 （高中物理第三册P.4-5）,1607年伽利略最早作了测定光速的尝试。,思考题,1、略述光速测定的演变过程。 2、,（高中第三册P.4）,光速的测量,到19世纪初，托马斯杨在研究干涉现象时指出，光在密度大的介质中的速度应比它在密度小的介质中的速度小这与主张微粒说的看法正好相反 如果能确定光在密度不同的介质中的速度，并与真空中的光速相比，就能确定波动说和微粒说中哪个是正确的因此光速成的测量和确定不只是一个物理常数了，而成为关于光的本质争论中一个具有“判决意义”的实验研究,17世纪，伽利略在两门新科学中提出了最早的测量光速的设计：在一个夜晚，伽利略和他的助手分别站在相距约4500米的两个山头上，各自手上提一盏带有遮光板的灯，当一人打开自己的灯光时，另一人看到时立即挪开遮光板伽利略设想只要测出从他打开灯到他看见助手的灯光所经历的时间，再测出两个山头的距离，不就可以求出光速了吗？“结果我未能确定地弄清楚对方传来的光是不是即时返回”,从原理上讲，伽利略实验采用类似测量声速的方法v=2s/t来测量光速 是对的伽利略实验的失败，说明光速如果是有限的，它必定是十分巨大的，为此必须测出极短时间间隔，或在很长很长的距离上进行测量,一、天文上的测量 丹麦天文学家罗默（Olaf Romer,1644-1710）第一个用天文的实验方法证明了光以有限的速度传播 由于行星的有规律的运动，卫星蚀也是周期性发生的例如，离木星最近的一颗卫星-木卫1的卫星蚀周期约为1.76昼夜 但在长期的天文观测中，罗默注意到，一年之中，当地球在自己的轨道上朝向木星运动时，木卫蚀的时刻就逐渐提早；而背离木星运动时，木卫蚀的时刻就逐渐推迟,如图，若地球在E1和木星在J1看到一次木卫蚀，当地球在作自E1向E2运动时，地球与木星的距离在逐渐增大，自木星来的任一信号都必须比前一信号多走一些距离才到达地球罗默观察到，由E1到E2的三个月时间里，所有相邻蚀的时间延迟的总和约为10分钟当地球继续由E3经过E4而向E5运动时，地球与木星的距离在逐渐减小，自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离,罗默测光速的原理图,罗默认为这种现象是由于光具有速度造成的，进而推断光速是有限的罗默从他的测量推断出，光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟（现代值为8分钟） 据此，1676年9月，罗默成功地预计了11月9日发生的木卫蚀要推迟10分钟巴黎天文台的科学家们怀着将信将疑的态度，观测并最终证实了罗默的预言 罗默的理论没有马上被法国科学院接受，但得到了著名科学家惠更斯的赞同惠更斯根据罗默的数据和地球轨道直径（近似值）的数据，计算出科学史上第一个光速值为227 000千米/秒,虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远，但它启发了惠更斯对波动说的研究；更重要的是这个结果的错误不在于方法的错误，只是源于罗默对光跨越地球的时间的错误推测，现代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒，很接近于现代实验室所测定的精确数值,1728年英国天文学家布拉德雷（James Bradley,1693-1762）发现在一年中，恒星会发生一个极小的椭圆形位移开始，他无法解释这一现象 据说，布拉德雷在泰晤士河上航行时，偶然发现一种现象，当船转弯时，桅杆上的风向标会改变方向这使得他联想到观测到的现象，这种椭圆运动与此很像，他叫做“光行差”现象,布拉德雷对此写道：“假想CA是一条光线，垂直地落到直线BD上，如果研究（指观察者）静止于A点，那么不管光的传播需要时间还是只需瞬间，物体必然出现在AC方向上但是，如果眼睛（观察者）从B向A运动，而光的传播又需要时间，而光的传播速度与眼睛（观察者）的速度之比等于CA与BA之比，则当眼睛（观察者）从B运动到A时，光从C传播到A”,光速并非无限，地球也有一定的速度，光行差就是两种速度叠加的结果,光行差原理图,布拉德雷用地球公转的速度与光速的比估算出了太阳光到达地球需要8分13秒这个数值较罗默法测定的要精确一些布拉德雷测定值证明了罗默有关光速有限性的说法 应用光行差法测得光速为301 000千米/秒天文学家测量光速的成功，也极大地鼓舞了物理学家去发明实验室测光速的方法,二、菲索与傅科的测量 1849年，菲索（Armand Hippolyte Louis Fizeau, 1819-1896）首先在地面上测得光速值，其值为315 300千米/秒他的装置及原理如下 ：,原理大致是：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光源发出的光经半镀银膜镜m反射后，经第一个透镜的焦点射向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当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光由齿轮的转速，可计算从开始到返回的光第一次消失的时间，也就是光往返一次所用的时间，从而计算出光速值,为了延长光行的时间，菲索的旋轮装置放在一个山顶，反射镜M放在另一个山顶，二者相距8633米，光程超过17千米菲索测得的光速是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,1850年，法国科学家傅科（Jean Bernard Leon Foucault,1819-1868）利用旋转镜比较水中和空气中的光速他的装置及原理如图:,原理大致是：光线经旋转镜m反射到M和M，T管中装有水一束光经空气返回，一束光经水返回 结果证明，光线通过水所用时间大于通过空气所用时间，即光速在水中变慢，这与托马斯杨的预见相符合,傅科比较光速的实验,1862年，傅科改进了装置，用于直接测量光在空气中的行进速度其装置及原理如下:,原理：光从S发出，穿过半镀银膜M1和会聚透镜L，到达旋转镜M2，经反射到凹面镜M3，再沿原路返回被M1再反射并成像S,；如果旋转镜M2作高速旋转，则光线由M3返回到M2时，M2在这一段时间内有稍许偏转，由此引起的像S”产生一个位置差S，借此可以算出光速值,傅科用五架庞大的凹面镜，以延长光路，即使如此光程也只有20米，旋转镜转速为400米/秒，因此产生的位移只有0.7毫米，由此测出的光速值为298 000千米/秒,三、迈克耳逊的测量 美国实验物理学家迈克耳逊(AlbertAbraham Michelson,1852-1931)的一生几乎都花在测量光速上了, 他不断改进测量方法, 以提高测量精确度他的精确测量为狭义相对论的建立打下实验基础. 迈克耳逊由于在光学精密测量和光谱学上的研究，获得了1907年的诺贝尔物理奖，成为美国历史上第一个获此殊荣的科学家,旋转棱镜法：迈克耳逊选择了两个山峰，测出两山峰间的距离，在第一个山峰上安装一个强光源S和一个正八面棱镜A（见下图）光源S发出的光，经过狭缝射到八面镜A的面1上，反射后射到放置在另一个山峰上的凹镜B上，又反射到平面镜M上，经过M反射后，再由B反射回第一个山峰如果八面镜静止不动，反射回来的光就射到八面镜的另一个面3上，经面3反射后，通过望远镜C进入观察者的眼中，看到光源S的像,如果使八面镜转动，那么光反射回来时，八面镜的面3已经偏离了原来的取向，经面3反射后的光不再进入望远镜中，观察者就观察不到光源S的像了适当调节八面镜的转速，使反射回来的光到达八面镜时，八面镜恰好转过，面2正好转到面3原来的位置，经面2反射后的光进入望远镜中，就可以重新看到S的像根据八面镜转过1/8转所用的时间和两山峰间的距离就可以算出光在空气里的速度迈克耳逊经过校正，得出光在真空中的传播速度（2997964）km/s,1878年开始实验时测得的光速值为300 140千米/秒；1882年，他测得的光速值为（2.998600.00030）108米/秒这个值被作为国际标准沿用了40年之久.,四、微波谐振腔法 1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速在他的实验中，将微波输入到圆柱形的谐振腔中，当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时，谐振腔的圆周长D和波长之比有如下的关系：D=2.404825，因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长，而直径则用干涉法测量；频率用逐级差频法测定测量精度达 在埃森的实验中，所用微波的波长为10厘米，所得光速的结果: (299792.51)km/s.,五激光测光速法,1790年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速（c=）由于激光的频率和波长的测量精确度已大大提高，所以用激光测速法的测量精度可达 ，比以前已有的最精密的实验方法提高精度约100倍,总之，光速测量实验已经历了300多年的历史从1676年丹麦天文学罗默在观察木星的卫星食中，指出光速是有限的以来，许多科学家采用不同手段对光速进行了测量,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: C=299792.50.1Km/s 1972年，埃文森测得了真空中光速的数值： C=299792457.40.1m/s 1974年英国国家物理实验室用二氧化碳激光器来测定得到光速值为299792.4588千米/秒.,光速是有限还是无限，到17世纪还有争议，笛卡尔认为是无限的，伽利略认为是有限的 17世纪初，伽利略用类似测量声速的方法来测量光速，伽利略让两个人各提一盏有遮光板的灯，并分别站在相距约为1.6千米的地方，令第一个人先打开他的灯，同时开始计时；第二个人见到第一个人的灯亮时，立刻打开自己的灯；当第一个人看见第二个人的灯亮时，停止计时，这样测出光从第一个人到第二个人再返回所用的时间，再测出两地的距离，就可以计算出光的速度,从原理上讲，伽利略实验采用v=2s/t 的方法是对的，但是实验失败了这是因为光速太大，17秒能绕地球一周多，靠当时的条件在地球上用通常测量声速的方法测量光速是难以实现的在伽利略去世后约30年，丹麦天文学家罗默在观察木星的卫星食中，于1676年他指出光速是有限的,光速测定的方法很多，有光速测定的天文学方法(罗默的卫星蚀法、布莱德雷的光行差法等 ) ；光速测定的大地测量方法(伽利略测定光速的方法、旋转齿轮法、转棱镜法等) 和光速测定的实验室方法(微波谐振腔法、激光测速法等) 在这里主要介绍光速测定的大地测量方法(伽利略测定光速的方法和转棱镜法 ) 、光速测定的实验室方法(微波谐振腔法、激光测光速法) ,一、光速测定的大地测量方法, 伽利略测定光速的方法 在物理学发展史上，最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略1607年在他的实验中，让相距甚远的两个观察者，各执一盏能遮闭的灯，观察者A打开灯光，经过一定时间后，光到达观察者B，B立即打开自己的灯光，过了某一时间后，此信号回到A，于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间，到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t若两观察者的距离为S，则光的速度为 c=2 S /t ,因为光速很大，加之观察者还要有一定的反应时间，所以伽利略的尝试没有成功如果用反射镜来代替B，那么情况有所改善，这样就可以避免观察者所引入的误差 这种测量原理长远地保留在后来的一切测定光速的实验方法之中甚至在现代测定光速的实验中仍然采用但在信号接收上和时间测量上，要采用可靠的方法使用这些方法甚至能在不太长的距离上测定光速，并达到足够高的精确度,2、转棱镜法,下面简略地介绍美国物理学家迈克耳逊（18521931）的旋转棱镜法迈克耳逊选择了两个山峰，测出两山峰间的距离，在第一个山峰上安装一个强光源S和一个正八面棱镜A（见上图）光源S发出的光，经过狭缝射到八面镜A的面1上，反射后射到放置在另一个山峰上的凹镜B上，又反射到平面镜M上，经过M反射后，再由B反射回第一个山峰如果八面镜静止不动，反射回来的光就射到八面镜的另一个面3上，经面3反射后，通过望远镜C进入观察者的眼中，看到光源S的像,如果使八面镜转动，那么光反射回来时，八面镜的面3已经偏离了原来的取向，经面3反射后的光不再进入望远镜中，观察者就观察不到光源S的像了适当调节八面镜的转速，使反射回来的光到达八面镜时，八面镜恰好转过，面2正好转到面3原来的位置，经面2反射后的光进入望远镜中，就可以重新看到S的像根据八面镜转过1/8转所用的时间和两山峰间的距离就可以算出光在空气里的速度迈克耳逊经过校正，得出光在真空中的传播速度： c=（2997964）km/s,光速测定的天文学方法和大地测量方法，都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的这就要求要尽可能地增加光程，改进时间测量的准确性这在实验室里一般是受时空限制的，而只能在大地野外进行，如斐索的旋轮齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地进行的傅科的旋转镜法当时也是在野外，迈克耳逊当时是在相距35373.21米的两个山峰上完成的现代科学技术的发展，使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速的测量,二、光速测定的实验室方法（高中课本有）,1微波谐振腔法 1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速在他的实验中，将微波输入到圆柱形的谐振腔中，当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时，谐振腔的圆周长D和波长之比有如下的关系：D=2.404825，因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长，而直径则用干涉法测量；频率用逐级差频法测定测量精度达 在埃森的实验中，所用微波的波长为10厘米，所得光速的结果: 299792.51km/s.,2. 激光测光速法（大学课本）,1790年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速（c=）由于激光的频率和波长的测量精确度已大大提高，所以用激光测速法的测量精度可达 ，比以前已有的最精密的实验方法提高精度约100倍 总之，光速测量实验已经历了300多年的历史从1676年丹麦天文学罗默在观察木星的卫星食中，指出光速是有限的以来，许多科学家采用不同手段对光速进行了测量：包括荷兰物理学家惠更斯、英国天文学家布拉德雷等；法国人菲索采用旋转齿轮法，法国物理学家傅科则利用旋转镜法测空气中的光速,1874年考尔纽也对光速进行了测量最有名的