光速的测定

光速的测定摘要光速是光学中一个重要的物理量，其在现代实验中显得及其重要，因此光速的测定具有重要意义。因为光的本质是电磁波，所以其速度等于其波长与其频率的乘积。因此本实验先要测出其频率与波长，再通过其三者的关系的出光速。关键词光电磁波波长频率1引言本实验通过对光速的测定，首先明确要明确光是一种电磁波，其速度是由其波长和频率决定的，因此对光速的测定，就是对其频率和波长的测定，而爱因斯坦的光电效应方程正是针对光的频率的考察，托马斯。杨的双缝干涉实验正是对光的波长的考察，同时这两个实验分别确立了光的粒子性和光的波动性，对这两个实验的分析，很好的理解了光的波粒二象性，对物质的量子化提供了基础，同时由于实验所使用的数据相对廉价，所以分别每组所得的实验结果有一定差距，因此本实验利用了光速不变性和数学的概率统计规则，将每组所得光速相加然后进行平均，提高所得结果的精确度。2理论分析210实验原理已知波速V，波长和频率F之间的关系为VF因此，实验中可以通过测定其波长和频率，求得光速。对其波长的测定可以通过杨氏双缝干涉实验来完成，而通过光电效应实验可以推导出其频率。211实验准备英国物理学家托马斯杨最先在1801年得到两列相干的光波，并且以明确的形式确立了光波叠加原理，用光的波动性解释了干涉现象。他用强烈的单色光照射到开有小孔S的不透明的遮光扳（称为光阑）上，后面置有另一块光阑，开有两个小孔S1和S2。杨氏利用了惠更斯对光的传播所提出的次波假设解释了这个实验。S1，S2为完全相同的线光源，P是屏幕上任意一点，它与S1，S2连线的中垂线交点S相距X，与S1，S2相距为RL、R2，双缝间距离为D，双缝到屏幕的距离为L。因双缝间距D远小于缝到屏的距离L，P点处的光程差R2R1DSINDTGDX/LSINTG这是因为角度很小的时候，可以近似认为相等。干涉明条纹的位置可由干涉极大条件DK得XK,D干涉暗条纹位置可由干涉极小条件DK1/2得XKL21明条纹之间、暗条纹之间距都是XD所以得出其波长公式X（）LD212实验准备爱因斯坦认为，从一点发出的频率为的光以为能量单位（光量子）的形式一份H一份的向外辐射，而不是按麦克斯韦电磁学说指出的那样以连续分布的形式把能量传播到空间。图（1）是光电效应实验的原理图当金属中的自由电子从入射光中吸收一个光子的能量时，一部分消耗于电子从金H属表面溢出所需要的逸出功，其余转变为电子的动能。根据能量守恒有W（1）MVH21此为爱因斯坦的光电效应方程。式中，为普朗克常数；为入射光频率；M为电子H质量；为光电子溢出表面的初速度；W为受光照射的金属材料的逸出功。MV在式子（1）中，正因为光电子具有最大初动能，是没有受到空间电场21MV的阻止从金属中逸出的光电子的最大初动能。入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子初动能越大，如图（2）所示，正是因为光电子具有最大初动能，所以即使阳极不加电压也会有光电子到达阳极形成电流，甚至阳极相对阴极为负时也会有光电子到达阳极，直到阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流为零，又如图（2）所示，此时相对于阴极为负值的阳极电位，被称为光电效应的截止电压。此时有SU（2）21MSVE将（1）式代入（2）式中，有WHSEU由于金属材料的逸出功W是金属的固有属性，对于给定的金属材料W为一定值，它与入射光的频率无关。所以EHUS由此可以推导出入射光的频率表达式（）HS上式表明是截止电压的线性函数，可见只要测出一单色S对某一属的截止电压，就可得到其频率。213实验准备将所得的频率公式和其波长公式相组合，就可得到其速读的计算公式V（）X（）HESUWLD3实验内容31光电效应测频率1开机A将钠黄光源，光电管暗盒，微电流放大器安放在适当位置，并按要求连接。B打开钠灯开关，让其预热1015MINC奖电流表的量程置于“20毫安”，“电压表极性”置于负,“电压调节”调到逆时针最小D打开GD2型光电效应实验仪开关2测光电管光电流付安特性曲线将电流表量程置于200毫安档，电压表量程置于200伏档，转动滤色片盘至黄色滤片至光窗位置，从光源出光孔上取下挡光板，调节电压由3伏逐渐升高到30伏，观察记录光电流的变化（每隔1伏记录一个电流值），记下一组I,U值。重复以上实验三次，将数据依次记录。32杨氏双缝实验测波长1用游标卡尺测出双缝间的间距，记为D。2设置好光路，将试验装置安装到合适位置。3调节光屏到双缝间的距离，使光屏上出现明显的干涉条纹。4用毫米刻度尺量出此时光屏到双缝间的距离为L5用游标卡尺分别测出不同颜色光每100条间的距离，重复三次。4数据记录及处理UKA3020100510152025303540455055I1011141219263136394244464850UKA3020105005101520253035404550I101113245773101115129142152161170180UKA30201510050051015202530354045I10332103779123169222276321356386415442UKA30201510050051015202530354045I10221621406389114137162181198219228UKA3020151050051015202530354045I1021416345683110140175203230262282299根据上表数据作出付安特性曲线，找出其截止电压SU207VS197VSU182VS097VS065VSU又由于W51897E1610919H66260755D140MM34L1M平均值MM040045040042035040035037030030030030030030025028020025030025根据公式V（）X（）得出其速度HESUWLD102487810382810368由于光速不变，所以将上面得到的五个数据相加，得其平均值VM/S385误差分析对于光速，世界现在的公认值C299792458M/SER000402CVDVERC0018V3010016实验小结本实验利用实验室的有限仪器完成了对光速的测量，其创新之处在于对前人的方程进行了重演，并将其理论与实验紧密的结合，从而推导出自身所需物理量，将他们的实验改造为对自己所需物理量进行测