光速测定的历史过程及对物理学的作用上.doc

发表于2005第5期光速测定的历史过程及对物理学上的作用浙江 宁波 奉化中学 方颖 315500 在我们的课本上只介绍了迈克耳孙的测光速的方法，其实在物理学史上对光速的测定有很多的方法,从简单到复杂，测量精度不断的提高的过程，并且对光速测定不仅仅是为了得到一个光速值，对当时光的本性的争论起一个“判决”的重大作用，下面本人从物理学史的发展角度来看一下光速测定的过程和意义，这样不仅可以拓宽知识面，也可以真正的了解物理学上对光速测定的过程。光的传播速度极大,但是伽俐略认为,光在传输时仍需要一定的时间,在中,伽俐略提出了最早的测量光速实验的设计。伽利略的实验大致是这样的，即先让两人各提一盏灯，在近距离上进行练习。当一人用手打开自己的灯光时，另一人看到时立即就挪开遮光的手。这样反复练习后，在一天的夜里，两人分别站在距离约3意里（约4500米）的地方。但光行程太小，伽利略认为还可挪至810意里远，并用望远镜观察遮住或打开灯光的动作。根据这个原理，伽利略还进行了实际操作。他选用的距离是1意里，“结果我未能确定地弄清楚对方传来的光是不是即时返回的”。这说明光速的确是很大的，而且是根据实验得出的结论，伽利略的失败并不奇怪，说明用简易的设备测量如此大的速度是不行的，因为光的快速远远超过寻常物体的运动速度。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。因此光速的测量和确定不只是一个物理常数了，而且成为关于光的本性争论中一个具有“判决意义”的实验研究。图-1 罗默测光速原理图一、天文上的测量由于光速太大，在测时技术尚不发达的时代，只有加大光程了，早期在天文观测中实现光速测量就不足为奇了。首先获得光速为有限值的证据是丹麦天文学家罗默（Olaf Romer,16441710）。他精确测定木卫星公转的运行时间表，并可以准确预报木星的卫星食的时刻，他发现，一年之中，当地球在自己轨道上朝向木星运动时，木卫食的时刻就逐渐提早；而背离木星运动时，木卫食的时刻就逐渐推迟。如图1所示，由此推断，这与光速有关，进而推断光的速度是有限的。这样，人们可以将伽利略设计的实验中的两个“山头”分别放在地球上一个、木星上一个，二者相距几亿千米。后来惠更斯根据罗默的数据和地球轨道直径的数据，计算出科学史上第一个光速值，即227000千米/秒，这是一个不错的观测值。图-2 光行差原理图 1728年英国天文学家布拉德雷（James Bradley，16931762）用一架长为60多米望远镜精心观测，发现在一年中，恒星会发生一个极小的椭圆形位移。这是怎么回事呢？布拉德雷把这种现象叫做“光行差”现象，因为光速并非无限，地球也有一定的速度，光行差就是两种速度叠加的结果（如图2所示）。布拉德雷对此写到：“假设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，而光的传播以需要时间，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）从运动到时，光从传播到。”可见利用光行差求出光速的原理是很简单的，但观测必须要精确。经测量，他得到的光速值为301000千米秒，这样人们不仅得到了更精确的光速值，而且也使人们回忆并重视起罗默的测量工作。天文学上的精确测量使光速测量成为可能，但是仍存在一定的误差。尤其是在托马斯杨提出“判决”实验之后，这样的数值离“判决”粒子说与波动说之争的要求还很远，所以仍需回到实验室来测定光速。二、菲索与博科的测量在18世纪,在实验室测光速仍是非常困难的,直到19世纪,由于实验技术的不断改进,才使在实验室内测量光速成为可能。1834年，英国的惠斯通（Sir Charles Wheatstone，18021875；由于发明“惠斯通电桥”而出名）提出了测量光速的新方法，他利用旋转镜观测火花，试图得到光速值。1838年，阿拉果从惠斯通的方法得到启示，认为这不仅可以得到光速值，而且可以“判决”关于光本性的学说。图-3 阿拉果实验简图图-4菲索测量光速的原理从图3 上可以看出阿拉果装置的原理，从、同时放出电火花，对应的光线1、光线2被旋转镜反射。在侧面观察，应看到两个并列的火花，如果在光线的途中设置水管，按波动说，通过水管的光线应迟到一些，这样得到的光线应稍微有些偏离。但阿拉果的实验因为他的眼睛不好而未进行，他让菲索和傅科做这个实验。图-5傅科比较光速的实验图-6傅科测量光速的原理图L1849年，菲索（Armand Hippolyte Louis Fizeau，18191896）首先在地面上测得光速值，其值为315300千米/秒。他的装置和原理大致是：光从半镀银膜镜m反射后，经高速旋转的齿轮W投向反射镜M，再沿原路返回。若齿轮转过一齿的时间正好与光往返的时间相等，就可经半镀银膜镜观测到光，从而计算出光速值，如图4所示。为延长光行的时间，菲索的旋转装置放在一个山顶，反射镜M放在另一个山顶，二者相距8633米，光程超过17千米。另一位法国科学家傅科（Jean Bernard Leon Foucault，18191868）采用与菲索不同的方法，而与10年前阿拉果的旋转镜方法相似。1850年，傅科利用旋转镜比较水中和空气中的光速。从图5中可以看出，光线经旋转镜m反射到M和M/，T管中装有水。一束光线经空气折返，一束光线经水折返。结果证明，光通过水所用的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。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。其装置与原理与从图6中可以看出，光从S出发，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L作高速旋转，则光线由M3返回到M2时，M2在这段时间内有稍许偏转，由此引起的像S/产生一个位置差，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转/秒，因此产生的位移只有0.7毫米，由此测得的光速值为298000千米/秒，1874年有人对傅科的装置进行了改进，测量结果更为精确，约为299990千米/秒。这时波动光学不但为人们广为接受，而且已进入了全盛时期，傅科等人的测量工作还算是一个迟到的好消息。三、迈克耳孙的测量迈克耳孙是一位优秀的美国实验物理学家，对光速的测定做了杰出的工作。他曾做过傅科的测光速实验，并且对测光速工作发生了兴趣。他发现傅科的测量光程太短，因此影响了测量精度。于是迈克耳孙就着手对傅科的装置进行改进，即在旋转镜M1和反射镜M2之间放置一个聚焦透镜，旋转镜就在透镜的焦点附近，而反射镜可拉至较远的地方；另外，反射镜还可用平面镜取代大口径的凹面镜。迈克耳孙从1878年开始进行实验，结果测得光速值为300140千米/秒，误差小于万分之一，这样迈克耳孙就成为了第四位成功测得光速的人。并且显示出杰出的实验才能，他也为此获得了1907年诺贝尔物理奖，成为美国历史上第一位获此名殊荣的科学家。图-7迈克耳孙测量光速的原理从图7的设计中我们可以看出，迈克耳孙的装置避免了旋转齿轮法遮断时间不够精确，旋转镜法中像的位移过小的缺点。此外，从图7中可