浅析物理学中光速的测量方法

　　光速是一个非常重要的物理常量，它与力学、电磁学、光学及近代物理中的许多定理、定律都有着密不可分的关系，下面是小编搜集整理的一篇探究光速测量方法的论文范文，欢迎阅读借鉴。

　　摘要：光速是最重要的物理常数之一，光速值的精确测量关系到许多物理量值精确度的提高。光速的测量在光学的研究历程中有着重要的意义，其测量精度的每一点提高都反映和促进了相应时期物理学的发展。本文主要对天文学方法和利用精密仪器实验方法进行分析。

　　关键词：光速;测量方法;天文学方法;实验方法

　　1.引言

　　光速是一个非常重要的物理常量，它与力学、电磁学、光学及近代物理中的许多定理、定律都有着密不可分的关系，故光速的测定历来为物理学界所普遍重视。

　　伽利略1607年首次尝试测量光速。(Fazeiu)利用旋转齿轮机构，测得光速值约为3.15×108m/s，是第一次在地球上测得的比较准确的值。传统的光速测定的基本途径2条：一种是利用光是电磁波的性质，测出光波的波长和频率再算出光速。

　　由于可见光的频率高，波长短，测频技术难度非常大，所以目前实验使用的光速测量仪器大多利用示波器测量微小的时间间隔，这种测量归因于精密的仪器，而且其测量的也仅仅是光在光纤中的速度，而非真空中的速度。

　　并且实验中缺少动手操作的过程，仅仅是读取一些数据。本文提出的光速测量设计性实验的思路是根据光的电磁波性质，用光学基础，通过测定RCL电路的谐振频率从而导出光速的表达式。

　　以前许多科学家们探索了光的测量方法，下面介绍了以前的几种测量方法。测量光速的方法通常分为天文学方法和利用精密仪器测光速方法两大类。

　　2.天文学方法

　　2.1木星卫星蚀：1676年丹麦天文学家O.Rmer用木星卫星蚀法第一次成功地测量了光速。周其为12年的木星是太阳行星，而绕木星运行的.卫星周期性的出现卫星蚀。O.Rmer根据卫星蚀的周期性变化规律计算出光速的数值为214000km/s。此数虽同现代测量结果的误差很大，但其主要意义在于使O.Rmer第一次用实实验方法测得光速是以有限速度进行转播的。

　　2.2恒星光行差法：1728年英国的天文学家James.Bradley发现，在地球绕太阳运行的一年内所有的恒星在天空中画出长半轴相等的椭圆。其中在横道面内的恒星所画的椭圆蜕化成一条直线，通过太阳且垂直于黄道面直线上的恒星所画的椭圆退化成一个圆，从地球上看这些椭圆长轴的张角等于40.9"，这种现象称为恒星的光行差。这种现象是由于光的转播速度具有有限值而引起的。利用这种方法测的光速为303000Km/s，它很接近于现代实验室测的光速的数值。

　　3.利用精密仪器的实验方法

　　3.1齿轮法：1849年H.L.Fizeau第一个在实验室中成功地测量了光速。他利用齿轮周期性地遮断光线的方法，精确的测定了时间。在1847年到1902年间，用此方法测的光速均在2.99×108m/s的范围内。

　　3.2旋转镜法：旋转镜法的主要特点是能对信号的传播时间作精确测量。1851年傅科成功地运用此法测定了光速。旋转镜法的原理早在1834年1838年就已为惠更斯和阿拉果提出过，它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，因此能极其精密地测量很短的时间间隔。

　　3.3旋转棱镜法：1962年Michelson改进了L.Foucault的实验，设计了旋转棱镜法，主要是利用多面反射镜代替。L.Foucault实验中的单一平面镜，以提高测量精度。此实验中测的光速为299796±4km/s。Michelson实验选择的光路很长，由于空气的温度和压力的变化所造成的空气的不均匀性很难测量，从而很难换算为真空中的光速，为此后来Pearson和Pease对原来的实验加以改进，由此测得真空中的光速为299774±2km/s。

　　3.4克尔盒法：Korlus和Mittelstaedt首先利用克尔盒调制光强的方法求测量光速。在短光路、微小时间间隔范围内能够准确测量光速，从而使实验精度大大提高。后来Anderson和Hiittel各自独立地改进了此实验，它们测得光速为299776±6km/s，而1951年Berstrand进一步改进了此实验，测得光速为299793.1±0.3km/s。

　　3.5光拍频法：光拍频法测光速是一种通过测量光拍的速度进而间接测量光速的方法。光拍频法测量光速是利用光拍的空间分布，测出同一时刻相邻同相位点的光程差和光拍频率，从而间接测出光速。目前此种方法是一般实验室中进行光速测量的常用方法。

　　根据振动叠加原理，两列速度相同、振动面和传播方向相同，频差又较小的简谐波叠加形成拍。借助于声光移频器可以使光和超声波发生相互作用，其结果是使输出光的频率发生改变，在驻波法精形下可以得到输出衍射光的[频率为：fLm=f0+(L+2m)F(其中f0代表射光波的频率，L及m代表输出光衍射级次，F代表超声波的工作频率)，同时利用圆孔光阑从中选取频率相近的两种光合成所需的光拍频波。光电接收元件对相应的光拍信号进行处理，同时考虑到光拍信号上不同位置处的位相不同，就可以在其上选取两点，使此两点为相差2π，则此时两点之间的最短距离为一个拍频率波波长。

　　同时，教师在物理教学中应多做一些学生意想不到，能引起学生思维冲突的演示实验。为了激发学生的兴趣，调动学生的积极性，教师在选择，设计演示实验时，应多做一些学生意想不到，违背学生思维常规的试验，不仅能有效地突破学生的思维定势，纠正知识错误，深化理解知识，更能激起学生的不安，使学生积极主动地参与对实验现象，原因等的分析，讨论之中，极大地调动学生的思维积极性和养成多角度、多层次看问题的习惯与品质。如在表面张力教学中给学生演示中对接在一起，大小不同的两个气球宁开阀门k后的现象，可让学生先猜测，学生一致认为是A变小，B变大，而结果却恰好相反，通过引导分析，学生能很好地理解附加压强的存在及其影响。又如开水煮鱼，纸锅烧水，瓦碎蛋全等实验也都能有效地激发冲突，调动学生的思维。

　　结语

　　总之，在创新教育成为21世纪教育主旋律的形势下，教师需突破演示实验原有的框框和设定，努力探索，发挥演示实验的创新教育教学功能。实践证明，只要教师正确认识，认真对待，演示实验定能起到一箭双雕之效果。