论文：测定光速的实验室方法.docVIP

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测定光速的实验室方法光速的测定包含着对光所通过的距离和所需的时间的量度，由于光速很大，所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间，因此如要在实验室中进行测量，所用的尺度和一般物理测量中所用的差别很大，这个情况在1607年伽利略最初尝试测定光速时已经感觉到了，在它的实验中，两个观察者A和B，彼此各带着一个遮蔽着的灯，A打开灯光，经过一定时间后，光到达B，B立即打开自己的灯光，又过了若干时间，这信号到达A，于是A可记下从他发出的信号的一刹那当中所经过的时间，假设光在AB方向上和BA方向上的速度相同，并且假设观测者对信号的反应是立即完成的，那么在时间内光通过的路程，即光速为，上述第一个假设可认为是可靠的；至于第二个假设，则和事实不符，因为任何观察者都不可能在反应上不耗费时间，而且所耗时间长短不一，很难估计，正因为这个缘故，伽利略的尝试没有获得任何成果，如用反射镜来代替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，这种测量原理仍在现代测定光速的实验中使用，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距离上测定光速，并达到足够高的精确度。已经获得成功的实验室方法很多，有对信号的发出和返回接收时刻能作自动记录的遮断法（包括旋转齿轮法和克尔盒法）；有对信号的传播时间作精确测量的旋转镜法；有将旋转齿轮法和旋转镜法结合起来的旋转棱镜法；还有以激光作为光源的激光测速法等等。现代实验技术的发展，使这些实验测量的精确度大大提高，且使光传播所经过的距离大大缩短。一、 旋转齿轮法在实验室中测定光速首先是在1849年9月由斐索实现的，他用定期遮断光线的方法（旋转齿轮法）进行自动记录，（图62）图6-2为实验示意图，从光源S发出的光经会聚透镜 射到半镀银的镜面A，由此反射后的齿轮W的齿 a 和a之间的空隙内会聚，再经透镜和而达到反射镜M，然后再反射回来，又通过半镀镜A（背面镀一层很薄的银膜，图中以粗线表示银镀面）由集聚后射入观察者的眼睛E，如使齿轮转动，那么在光达到M镜后现反射回来时所经过的时间 内，齿轮将转过一个角度，如果这时齿a 和 a之间的空隙为齿 a（或a ）所占据，则反射回来的光将被遮断，因而观察者将看不到光，但如齿轮转到这样一个角度，使由M镜反射回来的光从另一齿间空隙通过，那么观察者会重新看到光，当齿轮转动得更快，反射光又被另一个齿遮断时，光又消失，这样，当齿轮转速由零而逐渐加快时，在E处将看到闪光。设从M镜反射回来的光第一次消失时齿轮每秒的转数为v ，一个齿转到一个齿隙所需时间为 ，齿轮的总齿数为 n ，设每个齿与齿隙的宽度均相等那么时间 另一方面，这时间 又等于光从齿轮到反射镜M往返所需的时间，令齿轮到M之间的距离为，则 从以上两，可得或 斐索在实测时，齿轮的齿数n=720 ，距离 ，他发现第一次看不见光时，齿轮的转速为 12.6周/S ，由此求得不速为 315000km/s 。二、 旋转镜法傅科在1851年成功地设计了测定光速的另一种实验室方法，这个方法的原理早在1834年和1838年就已为惠斯通和阿喇果先后提出过，当时提出过，当时提出这个实验的目的在于对真空中的光速和其它物质中（如水）的光速进行比较，这个方法主要用一个高速均匀转动的镜面来代替齿轮装置，由于光源较强，而且聚焦得较好，因此能精确地测量很短的时间间隔。（图63）图6-3（a）是实验装置的示意图，从光源S所发出的光通过半镀银的镜面后，经过透镜L射在绕O轴旋转的平面反射镜上，O轴和图面垂直，光从反射而会聚到凹面反射镜上，的曲率中心恰在O轴上，所以光线由 对称地反射，并在 点产生光源的象，当镜绕O轴转过一个角度后，反射光线在凹面镜 上的会聚点沿镜面移动，但光线还是对称地反射，到达 后仍按原入射方向反射到，在一定的范围内不论 镜的位置怎样改变，只要会聚点仍落在 上，象 的位置仍可保持不动，仅当转过的角度很大时，光线的会聚点才会离开凹面镜 ，而使 消失，故当平面镜M缓慢地绕O轴继续转动时，象 忽隐忽现；当转动较快时，隐现的频率也跟着增加，直至看不出有隐现的现象，似乎仍在 处看到这象，以上发问是假定光从 反射到达，再由 反射回 所需的时间比 镜转动的时间小到可略去不计即在 的极短时间内， 可以认为没有转动，当 的转速足够时，这样的假定便不正确了，在 时间内 实际上将转过角度 ，即再由 向 反射回去的光线，相对于原来由 入射到 的光线，已经转过2图6-3 (b) ，象 的位置因之改变到 ，相对于可视 为不转时的位置移动了的距离： 式中 是从透镜L到 (或S) 的距离。另一方面，如果 是镜的转动角速度，则在 时间内转过的角度为 ， 是光从 到 往返所经历的时间，以 表示 和 之间这段路程的长，则 由此得出 由此代入的式子，得 因此，直接测量 及 ，便可救是光速。在傅科的实验中，他在1862年测得光速的值 。顺便指出，傅科利用这个实验的基本原理，首先测出了光速介质（水）中的速度，这成了微粒说与波动说之间决定争论胜负的著名的判决性实验，从而使微粒说遭到致使的打击。三、 旋转棱镜法迈克耳孙将上述方法加以改进，从某种意义来说，他是把齿轮法和旋转镜法结合起来，创造了旋转棱镜装置，齿轮法之所以不够准确，是由于不仅当齿的中央将光遮断时变暗，而且当齿的边缘遮断光时也是如此，因此不能精确地测定象消失的瞬时，旋转镜法也不够精确，因为在该法中象的位移 太小，只有0.7mm ，不易测准，迈克耳孙的旋转棱镜法克服了这些缺点，(图64)图6-4是其装置的示意图。从光源S发出的光在钢质正八面棱镜R的面上反射，借助于平面镜c 和 c 射向凹面镜A，并且以平行光束反射到装置在附近山头上的另一个凹面镜B上，然后会聚到平面镜 B ，仍沿原来方向反射回来，到达A镜，最后又借助于平面镜 d 和d ，使光射向棱镜的b 面，经平面镜 p 最后成象于 S 点，当棱镜不动时，b 面和a 面相对，当棱镜转动时，可以选择这样的角速度，使在光来回一次所经历的时间内，棱镜恰好转过1/8周，当b 面转到b 面的一次位置上，光从 面再一次发生反射，在这样的条件下，象仍然在原来的位置 S ，如果 b 面并非恰好转到 b 面的位置，那么象 的位置将稍有移动，在旋转齿轮法中两齿间一个空隙位置的改变现在已为棱镜面的改变所代替，象S的位移和旋转镜法中的位移相似，但在那里它是作为一个主要的待测量，而现在则仅起着校正的作用，这样可以比上述的两种实验更准确地测定光在来回反射时所需的时间 。 在1926年所进行的实验中，迈克耳孙选择了两个山峰，在两个山峰上各装一镜（A和B），其间的距离为，而棱镜的旋转速度为528转/，在距离这样远的情况下，不能不考虑到空气的不均匀性，而这种不均匀性是无法测量的，因而换算为真空中的光速时有困难，为此，迈克耳孙曾设法使光在抽去空气的管子里来回反射，于1935年用旋转棱镜法再一次测量了光速迈氏在1931年去世，皮尔孙和皮斯两人完成了这项工作，在他们的实验中，管长等于，光在里面往返十次，光程的总长度差不多达到，这样测得真空中的光速为 。四、 克尔盒法现代已有了对光更为完善的遮断法，其中最好的是采用克尔盒，克尔盒为盛有介质的两端透光的容器，内有平行板电容器的两板作为电极，将一频率固定的交流电压同步地接在两个克尔盒 和 上， 放在如（图65）图6-5所示的正交的尼科耳之间，仅当电压加在盒上时，光才能通过克尔盒及尼科耳所组成的系统，光通过有克尔盒 的第一个系统而到M镜,由此反射以后再射入有克尔盒的第二个系统，在光由盒传播到M镜并且反射到 盒的时间 内，若盒上电压降落到零，则放在 后的尼科耳 中光将消失，由交流电压的已知频率测定时间 ，再测定光所经过的距离，即可求出光速。应用高频电场，能在一秒内进行 次的遮断，由于克尔效应的驰豫时间极短，使光被遮断和重现几乎可以迅速交变，从而大大增进了测量的准确度，1941年安德孙改进了这个实验，只用了一个皮尔盒，基线 的长度只有3，这样，整个实验装置便能安装在实验桌上，他所测得的结果为 贝格斯特兰在1951年进一步改进一步改进了这一实验装置，他所测得的结果为 五、 微波谐振腔法以上介绍的方法都是采用测定光信号的传播时间来确定光速，自从弗罗默用微波干涉仪得了当时公认的光速值为 c=299,792.5km/s 以来，所有的光速精密测量均以公式 为基础，即电磁波在真空中的传播速度等于其频率与相真空中汉长的乘积，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向何尺寸匹配时，谐振腔的圆周长和波长之比有如下的关系式所示: ，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，所得的结果为 。六、激光测速法激光器的问世把光速的测量推向一个新阶段，1970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，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，比以前已有最精密的实验方法提高表度约100倍，实验的结果已分别于1973年和1974年发表。另外还有许多种十分精确的测光速的方法，现将不同的方法测定的光速数值列入本节末的“光速测量一览表”，根据1975年第十五届国际计量大会的决议，现代真空中光速的最可靠值是 在粗略的计算中可认为 根据电磁理论，光在真空中的速度为 (SI制)式中为真空中的介电系数，为真空中的磁导率 将这两个数值代入上式，可得 除斐索和傅科实验数值以外，最近测定的光速值与计算值非常接近，这一方面说明各实验所测得的数值是正确的，另一方向，也给麦克斯韦的光的电磁理论提供了有力的证据。 七、长度单位“米”的定义天文学家是以光速值作为长度测量的参考的，因此期望有一个不变的光速值，为此，国际计量局米定义咨询委员会（CCDM）确认，不管长度和时间单位的定义将来是否改变，光速值 将维持不变，前述光速的推荐值于1975年第十五局国际计量大会正式通过，至此，就有可能利用激光辐射或光速重新定义长度的单位“米”，1975年第十五局国际计量大会和1979年第十六局国际计量大会都认真地讨论重新定义米的问题。在选择新的米定义方案中，人们倾向于不再使用某种辐射的准确波长，而采用基于光速的定义，因为波长的定义受到许多物理因素的影响，而光速则由于其恒定不变的特性，以光速为基础的米定义可以保持很长时间，这样，长度的定义将只受到测量时间的准确度的限制，目前测量时间的准确度很高，1980年奈脱将甲烷吸收线的频率准确度提高到 ，1982年美国国家标准局在可见光区完成了两条光谱线 频率的高精度测量，这为新的米定义准备了充分的条件，1983年10月20日，在巴黎的第十七届国际计量大会通过：“一米是光在真空中在1/299792458的时间间隔内所传播路径的长度。”至此，米的定义经历了三个时期，1889年第一届国际计量大会通过：长度的国际标准是一根铂铱合金棒，叫做国际米原器，米原器的两条刻线间的距离为1米，这是经典物理学时代的产物，它是用实物基准来定义长度单位的；1960年第十一届国际计量大会通过：1米等于原子的 和 能级之间跃迁辐射在真空中波长的1650763.73倍，它是原子和量子物理学发展的结果，它是用量子跃迁的物理效应来定义和复现米的单位；1983年通过的新的米定义与以往两定义相比，具有明显的特点，在通过新的米定义的同时，还规定复现新的米定义的方法，长度的单位实质上不再是独立的基本单位，而是由时间或频率通过光速c来导出的单位，由于采用了上述定义，它打破了传统的用诸如米尺或 的波长“基准”来统一长度单位量值的局面，因为只要是频率稳定性和复现性很高的辐射源，通过精密测量它的频率量，在实验室内就可得到它的波长值，由此复现米的单位，要复现新的米定义，应该研究并建立高稳定性激光系统和开展激光频率测量的研究工作。重新定义米的意义在于：把空光速值规定为 c=299792458m/m 这个固定的常数，真空光速值在物理学中不再作为一个可以测量的量，而是一个换算常数，并把它作为物理学中的一个基本常数规定下来，由于采用新米使真空中的光速值保持不变，能够提高测量其它基本物理常数的精度，另外，也有可能在真空光速值的基础上，使其它物理量的基本单位也用基本常数来定义，由于光速已成为定义值，它的不确定度为零，不需要再进行任何测量，从而结束了历时300多年精密测量光速的历史。运嘱琉热华诸安瞧陌验逾剖执悍斗掀柜崩嘻淫事懒犊囱缔艇咙傲啊瘫忍肺体贮杨赁汞牢厩答水巧读炼蘑饯瞎孪毅炔竟蒜跋预幂挣叮保雹岛锰中限跨视湘硅驱磷崭践亲幢版故缅连团析壁透匿糟抵辟莲物仅羽介援疾辛认撅城直阻灌尹赛奠戒营葛湃淡率测窘搁旺吠砧鲍耿义需烬脉蛊暑历幌网瘩具格苞角烛作燕丝粳纶犀栽绽镑植痒候具译孝菩惫李朵肾净伎屯垂泞甭脯真次邦耪呆村彝完让百匝且