光学小论文.doc

目 录光速的测量史 第一章-文艺复兴时期对光速的争议第二章-天文学对光速的测量的贡献第三章-地球上光速的测量 第四章-根据麦克斯韦方程组求光速 第五章-现代光速的测量 第六章-光速测定的意义 摘要：本文通过介绍光速测量的发展史，提供了几种古典测光速的方法及天文学大尺度对光速的测量的贡献，通过这些数值的一致性，使读者体会到物理学殊途同归的玄妙之处以及先贤们思想的伟大。 Abstract;Through introducing the development of measuring speed of light,this ariticle provide some classical methods andsome astronomical methods.Reader will realize the mystery of physics by these accordant date and you also can marvel at theideas of these great men. 第一章 文艺复兴时期对光速的争议关于光传播速度是否是有限的，文艺复兴时期的物理学家是有不同观点的。其中开普勒、笛卡尔认为光速传播不需要时间。而近代实验科学的先驱者伽利略却对此产生了怀疑。于是于1607年，伽利略运用测声速的方法测量了光速，虽然从理论上讲这种方法能测出光速，但光速很大，17秒能绕地球一周多，靠当时的条件在地球上用通常测声速的方法测光速是难以实现的。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年指出光速是有限的。伽利略虽然没有测出光速，但是他开启了人类对光速测量大门的钥匙，给后人指出了一条物理研究的方向。第二章 天文学对光速测量的贡献1676年，丹麦天文学家罗默第一次提出了有效的光速测量方法。罗默运用木星卫星的蚀在地球处于不同位置时发生周期的变化来测量的。木星是一个周期为12年的太阳行星，它有11个卫星，最接近于木星的卫星，其周期是42小时28分16秒，因而它发生蚀的时间很短可以用于测量计时。经过长期观察，罗默发现从离木星最近时开始计时，在地球运行过1/4周期后，此卫星发生蚀的时间比期周期慢了大约11分钟（此时间差是每次蚀与固有周期之差dt的和），而在罗默的时代，人们已经认识到地球的半径为1497106千米，所以罗默算出了光速大约为149.710米/t（时间差）=2.1510米秒。这个结果虽然跟现在所测光速精确值相差26%，但限于当时的实验条件，可以说已经很精确了。值得一提的是，牛顿在其所著光学一书中也提出光速是有限的，每秒钟走2.1*10米（跟精确值偏差31%）。虽然如此，鉴于当时观测水平低下，还是有人对光速的有限还是无限产生怀疑。然而詹姆斯布雷德里在一系列天文观察后提出光行差的概念，即假设光传播是有限的则在其射入地球的时候便因为地球的自转而产生一个额外的角度，这样恒星的实际位置与视觉感到的位置产生偏差，使天空中的恒星看起来在做一个很小的椭圆运动，k=v/c，v为地球的公转速度观测出k值则带入公式中就求出c。根据此式詹姆斯布雷德里求出光速为2.9810米/秒第三章 地球上光速测量的实现 1849年，菲索用旋转齿轮法测量了光速c = 3.15310 m/s。其原理如下图所示：M1反射来自s的光当经过转动的齿轮时（齿轮齿间间距与齿的宽度相），则有一部分会被齿轮挡住，还有一部分会被经过图中空白的地方而穿过齿轮到达M2，然后经M2反射后重新到达齿轮，在光由齿轮经M2又回到齿轮的过程中，齿轮已经转过一个角度，当齿轮转速达到一定速度时，观察者于M1处将看将不到经M2反射的光，即c/(2*n*r)=2*l（其中n为齿验中所用齿轮的齿数n=720，齿轮到反射镜的距离L=8.64km，第一次看不到反射光时的转速为r=12.6，带入公式得c=3.135*10m/s.在菲索之后又有很多实验物理学家在光速测量上做出贡献，但其方法的原理跟菲索齿轮测光速法大同小异。包括1862年傅科用旋转镜法测的光速为c = 2.98 10 m/s,1874年考尔纽改进了齿轮法测得光速为c=2.999910 m/s，阿尔伯特麦克尔逊改进了傅科的旋转镜法，运用旋转八面镜法多次测量于1879年和1882年分别测 得光速为c = (2.999100.00050) 10 m/s和c=(2.998530.00060) 10m/s，后来，他综合旋转镜法和旋转齿轮法的特点，发展了旋转棱镜法，19241927年间，得 c =(2.997960.00004) 10 m/s。窗体底端第四章 根据麦克斯韦方程组求光速 十七、十八世纪电磁学飞速发展，英国物理学家詹姆斯麦克斯韦在十九世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。它由四个方程组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。根据麦克斯韦方程组求出c=1/，所以测光速变成测真空中磁导率和电导率就可以求出光速，1856年，R.科尔劳施和W.韦伯完成了有关测量，麦克斯韦根据他们的数据计算出电磁波在真空中的波速值为3.107410米/秒. 第五章 现代光速的测量二十世纪电子技术的发展使光速的测量达到了新的精确度，尤其是人们运用电子技术想出的新方法新手段，其中包括1928年Karolus 等人运用克尔盒法测得光速为2.997860.0001510米/秒， 1947年由Essen 等人运用谐振腔法测得光速为2.997920.0000410米/秒，1951年由Bergstand用光电测距仪测得光速为2.9979310.000002610米/秒。随着镭射器的发明，运用稳频镭射器可以是光速测量的不确定性大大降低，其中包括1972年Bay 等人运用稳频氦氖雷射器测得光速为2.997924620.0000001810米/秒，1980年Baird 等人运用稳频氦氖雷射器测得光速为 2.9979245810.00000001910米/秒，最终于1983年由国际协议规定光速为2.9979245810米/秒，使得光速值为确定值。这为物理学其它基本量的选定提供了重要依据。第六章 光速测定的意义 因为光速相对于任何参考系都不变，所以用光速定义米，可以使一米的长度很精确，所以米被定义为光在以铂原子钟测量的0.000000003335640952秒内走过的距离。在相对论和量子理论中有很多有关于光速的公式，精确的知道光速后便可以根据这些公式精确的求出一些量，比如说爱因斯坦著名的质能守恒公式，洛仑兹变换，普朗克能量分布方程。可以说光速