光速測量實驗裝置

Ⅰ 求A.邁克爾遜做的光速測量實驗全過程。

18世紀，科學界是沉悶的，光學的發展幾乎處於停滯狀態。繼布萊德雷之後，經過一個多世紀的醞釀，到了19世紀中期，才出現了新的科學家和新的反復法來測量光速——法國科學家菲索和傅科，開始用物理的方法測定光速。當時先後產生了旋轉齒輪法和旋轉鏡法這兩種方法。

3.1 1849年
旋轉齒輪法是法國物理學家菲索 (Armanda Hippolyte Louis Fizeau,1819.9.23-1896.9.18)在1849年發明的。他的方法原理與伽利略的相類似。他將一個點光源放在透鏡的焦點處，在透鏡與光源之間放一個齒輪，在透鏡的另一側較遠的地方依次放置另一個透鏡和一個平面鏡，平面鏡位於第二個透鏡的焦點處。點光源發出的光經過齒輪和透鏡後變成平行光，平行光經過第二個透鏡後又在平面鏡上會聚於一點，在平面鏡上反射後按原路返回。由於齒輪有齒隙和齒，當光通過齒隙時觀察者就可以看但返回的光，當光恰好遇到齒時就會被遮住。從開始到返回的邁克爾遜光第一次消失的時間就是光往返一次所用的時間，根據齒輪的轉速，這個時間不難求出。通過這種方法，菲索測得的光速是315 000Km/s。但由於齒輪有一定的寬度，用這種反復法很難精確的測出光速。

3.2 1850年

1850年，法國科學家傅科(Jean Bernard Keon Foucault,1819.9.18-1868.2.11)

改進了菲索的方法。

他只用一個透鏡、一面旋轉的平面鏡和一個凹面鏡。平行光通過旋轉的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上，同樣用平面鏡的轉速可以求出時間。傅科用這種方法測出的光速是：298 000Km/s。

另外，傅科還測出了光在水中的傳播速度，通過與光在空氣中傳播的速度的比較，他測出了光由空氣中射入水中的折射率。這個實驗在微粒說已被波動說推翻之後，又一次對微粒說作出了判決，給光的微粒理論以最後的沖擊。

3.3 1878年

美國物理學家邁克爾遜（A.A.Michelson,1852-1931）從1878年開始用旋轉鏡法對光速進行了持續50年的測定工作。在邁克爾遜在海軍學院任教不久，演示了傅科測定光速的方法，由此對測定光速產生了興趣。起初，他「沒有辦法保證任何精確的」結果，「僅僅打算去演示這一方法」，為此，「找到了放在實驗室中的粗笨的儀器」。

傅科的實驗裝置是藉助定日鏡照明一條明亮分劃線作為光源，將可旋轉平面鏡放在透鏡L焦距內距L很近處。A和B是當旋轉反射鏡M1在兩個特定位置時S的虛像，它們經透鏡L分別成像於A』和B』兩點。凹面鏡的曲率中心與M1鏡的旋轉軸重合，使得所有的光束在和之間傳播距離相等。S』是經鏡反射後待觀察的虛像，偏轉角a是與之間的S與S』之間的夾角。傅科選取的L與間距離約為20m；他使用的旋轉平面鏡轉速為400r/s。

3.4 1879年

邁克爾遜分析這一裝置，發現精度底是由於偏轉角太小。他將S改為狹縫光源，使亮度顯著提高，並將和之間的距離增大到152m，使適當靠近透鏡L的焦點，則軸上光速經L在鏡上成的像被限制在與透鏡有相同直徑的范圍內，這樣可以改用平面鏡；他還將測偏角a的半徑由原來的1m改為9m多。

雖然鏡轉速僅有128r/s，但整個偏轉角還是增大了約20倍，因而提高了a角的測量精度。他這次測出空氣中的光速為300 140Km/s。

實驗取得了成功，促進他繼續改進裝置，以獲得更精確的結果。1878年7月，他將透鏡的直徑增大到20cm，兩反射鏡之間距離增大到605m，鏡子轉速為250r/s，觀察到的位移為133mm。實驗從1879年6月5日開始，每次測量的數據都不舍掉，對空氣的折射率作修正之後，得到在真空中的光速為299 940Km/s，測量精度提高了3倍。

邁克爾遜於1879年秋被紐科姆教授邀請到航海歷書局參加由政府資助的光速測定研究。他從歐洲回國後，紐科姆因自己測得的光速值：299 860±30Km/s與邁克爾遜的值相差50Km/s，對這一差異滿意，於是邁克爾遜重新進行測定。

3.5 1882年

這次的實驗使用了弧光燈，距離由市政工程專家進行測量，測得的值為：624.695m，反射鏡的轉速經過更精確的校準，測量場地選在校園後一段鐵道的北邊，光學儀器就在裝在兩個水泥柱子上，從1882年10月12日到11月14日這段時間，邁克爾遜進行了23次測量，得出真空中的光速為：299 853±60Km/s，該結果在45年中一直被作為全世界的公認值，直到1926年威爾遜山的測定結果發表。

3.6 1883年

1883年開始，邁克爾遜測定了光在蒸餾水中的速度，兩反射鏡間距離為5.37m，裝水的管子長3.06m，測出真空中與水中光速之比為1.33。以前又阿拉戈建議，傅科和菲索等人證明了光在水中速度比在空氣中慢，此結果成為光的波動理論的有力證據，但定量測量還沒有人做過。

他又將管中改裝二硫化碳（）測出了白光、紅光和藍光在該媒質中的傳播速度，得到了意外的結果，測得光在真空中與中的速度之比為1.758±0.02，而的折射率為1.64，發現了兩者間的顯著差別。他還發現紅光與藍光在中的速度比為1.014。這個實驗第一次為瑞利在色散媒質中波速度、群速度理論提供了可靠的實驗證據。

Ⅱ 光速是怎樣測出來的

1、天文學方法1676年，丹麥天文學家O.C.羅默利用木星衛星的星蝕時間變化證實光是以有限速度傳播的。

2、布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）採用恆星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量，布萊德雷在地球上觀察恆星時，發現恆星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恆星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周。

他認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發生了位置的變化，他由此測得光速為：C=299930千米/秒。

3、地面測量方法

光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由於光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，大地測量法就是圍繞著如何准確測定距離和時間而設計的各種方法。

4、旋轉齒輪法

用實驗方法測定光速首先是在1849年由斐索實驗，他用定期遮斷光線的方法（旋轉齒輪法）進行自動記錄。

5、旋轉鏡法

旋轉鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量，1851年傅科成功地運用此法測定了光速，旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過。

它主要用一個高速均勻轉動的鏡面來代替齒輪裝置，由於光源較強，而且聚焦得較好，因此能極其精密地測量很短的時間間隔。

Ⅲ 光速是怎麼測定的，和它被測歷史

17世紀前，天文學家和物理學家以為光速為無限大，宇宙中恆星的光都是瞬時到達地球的。義大利物理學家伽利略首先對上述論點提出懷疑，為了證明光速的有限性，他在1600年左右曾做過粗糙的實驗，他確定了A用燈光把信號傳到B並收到從B回來的信號所需要的時間。這個實驗是在晚上當兩個觀察者緊靠著站在一起，以及當他們相距近一英里時分別進行的。如果能發覺有時間差，那麼，光就是以有限速度傳播的，伽利略不能從他的實驗解決這個問題。但他提出了一個完全不同的問題，他評論道，在木星後面的木星衛星時常消失，可以用來作光速的測量。
1849年，法國物理學家菲索用齒輪法首次在地面實驗室中成功地進行了光速測量。他的實驗裝置如圖所示。圖4中光源S發出的光束在半鍍銀的鏡子G上反射，經透鏡L1聚焦到O點，從O點發出的光束再經透鏡L2變成平行光束。經過8.633千米後通過透鏡L3會聚到鏡子M上，再由M返回原光路達G後進入觀測者的眼睛。置於O點的齒輪旋轉時把光束切割成許多短脈沖，他用的齒輪有720個齒，轉速為25轉／秒時達到最大光強，這相當於每個光脈沖往返所需時間為1/18000秒，往返距離為17.266千米，經過二十八次的觀察，由此可得с＝312000千米／秒。這個數值與當時天文學家公認的光速值只有較小的差別。
差不多與菲索同時進行光速測定工作的便是傅科。1819年9月18日他生於巴黎，最初研究過醫學，但從1845年以後從事物理學的研究，與斐索是初期的合作者。兩人分手後，各自都進行著光速測定的研究工作。在光速測定的研究中，傅科是採用旋轉平面鏡的方法來測光速的。經過一段時間的研究，於1850年5月6日向科學院報告了自己實驗的結果，並發現光速在水中比在空氣中小，證明了波動說的觀點是正確的，它給光的微粒說帶來了再一次的沖擊。在論文中，傅科敘述了實驗裝置的改進和實驗的結果。他指出，所用的儀器與以前所說的儀器設有什麼重大的區別，只是裝了一套推動圓周屏幕移動的齒輪系統，以便准確量度鏡的旋轉速度。此外，實驗中所用的距離，也用幾次反射的方法，使其距離從4米擴大到20米。由於光通過的距離增長，對時間的量度更為准確，使他得到的結果也更好。傅科指出，最後的結果，光的速度好像顯然地比人們想像的速度要小，用旋轉鏡測得的光速為每秒大約2.98×108米/秒。接著他又分析這一結果的准確程度。據他看來，該實驗的誤差，不應該超過5×105米。在這一條件下，傅科認為這一實驗數值是正確的。
在菲索和傅科之後，又有不少科學家，採用並改進了前人的方法，繼續測量光的傳播速度。主要有以下幾位：法國的科爾尼（M．A．Cornu，1841～1902）採用菲索的方法，作了一些改進，於1874年在實驗中把反射鏡安裝在23公里遠的地方，測出的光速為每秒2.985×108米，而1878年又測得3.004×108米。1880～1881年，英國的詹姆斯·楊（Oames Young）和喬治·福布斯（G．Forbes）測得的數值為每秒3.01382×108米。
光速的最精確的測定是在美國作的，1867年，海軍天文台的紐科姆（Newcomb Simon，1835～1909）建議重做傅科的實驗，邁克耳遜於1878年在安納波利斯海軍學院的實驗室做了初步的實驗。測量是在1879年做的。1882年，邁克耳遜在俄亥俄州克利夫蘭的凱斯學院作了測定。
邁克耳遜以畢生精力從事光速的精密測量；1879年，他用自己改進了的傅科方法，利用凹面鏡和透鏡把光路延長到600m，旋轉鏡使返回光位移133mm，獲得光速值為299910±50km/s。1882年，他又把測量精度提高，獲得的數值為 299853±30km/s。這都是當時最新紀錄。後來到1923年他又重新專心致志地從事光速測量，在加利福尼亞的兩個相距約35公里的山頭之間，一個新的特點是應用了八角形的轉動鏡，這提供了接受相繼反射面的反射光的可能性，這樣就免除了反射光線的角度偏差的測量；測得的數值為299798±4km/s。