实验三光速测量讲义(中)

1、(2)若发射和接收端的距离为S，则所需要的时间为 ,相应的相位偏移为上。见图实验三光速测量光波是电磁波，光速是最重要的物理常数之一。光速的测量在光学的研究历程中有 着重要的意义。光速测量方法和精确度的每一点提高都反映和促进了相应时期物理学的 发展，尤其在微粒说与波动说的争论中，光速的测定曾给这一场著名的科学争论提供了非 常重要的依据。光速测量实验已经历了300多年的历史。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：299792.5 ).1Km/s。 1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：7.4 .1m/s。【实验目的】1 测量光信号经 S距

2、离后的相位偏移.厂。2 计算光速c【实验原理】利用周期性光信号和一个短距离进行光速测量。为了确定光速，利用发光二极管作 为光发射器，发出频率为60MHz的电调制光信号。接收器是光电二极管，它把光信号转 变为电信号。一与发射信号具有相同的相位的参考信号，同时加入到接收端。然后测量 接收器的移动距离 S,光信号由于传输延时 ： t导致相移厶。周期性的光信号的光强为:I = l0：l0 cos(2二 * t)经一光电二极管将光信号变为电信号:U 二 a cos(2恵订 t)2 (5)tTU=a cos(2二 v t -)(4)(3)图1周期光信号的相位变化到达接收器的信号除去光强有所减少外，接收器获

3、得的信号还有一相移:从以上公式中可导出光速为:实验中时v = 60MHz，当距离改变.：S=5m时，相位偏移为 2二，恰好为一周期。然而 如此高的频率很难在示波器上显示出来。图2为光速测量原理方框图。为了能在通用的示波器上显示信号，将 v= 60MHz和v = 59.9MHz的信号混频，则混合后的信号为：U =a cos（2愿空、t 二丨）cos（2m “；严 t）（6）它可以表示为两项之和：1Uacos（2 二亠 t ） t -. ： J cos（2二（ - ） t） -I（ 7）2一项为和频（），另一项为差频。和频项通过一个低通滤波器滤掉，只保差频项：1S a bos（2二（. - . ）

4、 t） - J（8）2差频信号频率为1 = （. -）= 100kHz。而相移二丨经混颇后并无改变。相应的传播时间为,相位变化为：厶2亠（9）T1光信号传播的时间为：丄 T：t1：t1t1-（ 10）T1T1、则光速为：is T1 As T1c -（11）t1 T图2光速测量原理方框图由于导线和仪器连接，光信号的传播时间不能被忽略。最初发射信号与接收信号的距离调为S,这时通过调节电子移相使参考信号同步到达接收端（即相位差为零）。然后将发射与接收端的距离取 1米，由于延时为讥，而产生相移为 厶。【实验装置】实验仪器安排如图3，与示波器的连线图如图 4所示：图3光速测量实验装置图4实验仪器连线图【

5、实验内容与步骤】1.发射器与接收器的距离调至约为1米，经6米长的同轴电缆连接到接收器的输出端a端。打开接收器电源。2 .红色光点成像在接收面板上，调节焦距和光圈，使光点清晰。3 .将发射和接收距离调至 50厘米，在光路上放上透镜。4 将光点聚焦在接收器的光孔上。5.将接收器的输出端 c接至示波器的1通道。6 .在示波器上观察光信号波形，调节光路使信号最强。若由于信号过载出现失真，可 稍微移动透镜的位置。7 .记下发射器在位置 1的距离。8保持光轴共轴，将发射器移至2处，此时距离约为1米处并记录。【测量及数据处理】1在位置1处通过调节电子移相器使参考信号和接收信号的具有相同的相位（即相位 差为0 ）。2 .将光源移至位置 2处