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斐索干涉儀實驗裝置

發布時間:2024-03-16 19:29:33

A. 光速是怎樣測出來的

17世紀初,伽利略用測量聲速的方法來測量光速,他讓兩個人各提一盞有遮光板的燈,並分別站在相距約1.6千米的地方,令第一個人先打開他的燈,同時開始計時;第二個人見到第一個人的燈亮時,立刻打開自己的燈;當第一個人看見第二個人的燈亮時,停止計時,這樣測出光從第一個人到第二個人再返回所用的時間,再測出兩地的距離,就可以計算出光的速度。從原理上講,伽利略的方法是對的,但是實驗失敗了。這是因為光速很大,1/7秒能繞地球一周多,靠當時的條件在地球上用通常測聲速的方法測光速是難以實現的。於是,人們把測光速的場地移到太空。在伽利略去世後約30年,丹麥王文學家羅默在觀察木星的衛星食中,於1676年指出光速是有限的。

1834年,英國物理學家惠斯通利用旋轉鏡來測定電火花持續的時間,也想用此法來測定光速,同時也想確認一下在拆折射率更大的介質中,光速是否更大。惠斯通的思想方法是正確的,但是他沒有完成。

斐索先後研究了光的干涉、熱膨脹等,發明了干涉儀。他在研究和測量光速問題上作出了貢獻,是第一個不用天文常數、不藉助天文觀察來測量光速的人。他是採用旋轉齒輪的方法來測定光速的。測出的光速為 342539.21千米/秒,這個數值與當時天文學家公認的光速值相差甚小。

傅科在物理學史上以其「傅科擺」的實驗著名於世。在光速測定的研究中,他是採用旋轉平面鏡的方法來測量光速的。其測得的光速為29.8×107米/秒,並分析實驗誤差不可能超過5×105米/秒。

1850年5月6日傅科向科學院報告了自己的實驗結果,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。

邁克耳遜(美國人,A.A.Michelson,1852-1931)繼承了傅科的實驗思想,用旋轉八面棱鏡法測得光速為299796千米/秒。

B. 如何測光速

一. 惠更斯的測定的光速
丹麥青年科學家羅默。羅默生於奧爾胡斯,在哥本哈根受過教育,後來移居巴黎。在羅默來巴黎的30年前,義大利天文學家卡西尼應路易十四聘請也來到巴黎,他對木星系進行了長期系統的觀察和研究。他告訴人們,木星和地球一樣也是圍繞著太陽運行的行星,但它繞太陽運行的周期是12年。在它的周圍有12顆衛星,其中有4顆衛星特別亮,地球上的人藉助於望遠鏡就可以看清楚它們的位置。由於這些衛星繞木星運行,隔一段時間就會被木星遮食一次,其中最近木星的那顆衛星二次被木星遮食的平均時間間隔為42小時28分16秒。羅默在仔細觀察和測量之後發現,這個時間間隔在一年之內的各個時間里並不是完全相同的,並且當木星的視角變小時,這個時間間隔要大於平均值。

1676年9月,羅默向巴黎科學院宣布,原來預計11月9日上午5點25分45秒發生的木衛食將推遲10分鍾。巴黎天文台的天文學家們雖然懷疑羅默的神秘預言,但還是作了觀測並證實了木衛食的推遲。11月22日羅默在解釋這個現象時說,這是因為光穿越地球的軌道需要時間,最長時間可達22分鍾。後來惠更斯利用羅默的數據和地球軌道直徑的數據,第一次計算出光速為 2×108米/秒。雖然這個結果很不精確,但為光速的測定邁出了一大步。
二.法國科學家菲索的旋轉齒輪法
菲索為法國科學家,他讓光源發出的光從轉動齒輪的間隙中通過,再通過透鏡變成平行光束,這光束聚焦於安裝在一定距離的平面鏡上,被平面鏡反射後再沿著相反的方向返回齒輪,進入觀察者的眼睛。

當齒輪以某一速度轉動時,觀察者將看不到返回的光,這是因為光線從齒輪到達平面鏡再回到齒輪時,恰好為下一個移來的齒所遮蔽,倘若使輪的轉速增加1倍,光點又重新被看到了,因為返回的光恰好穿過下一個齒縫。設輪的 如果光速為C,齒輪與平面鏡間的距離為l,那麼, 進行的。齒輪的齒數是720個,計算光速為313,300公里/秒, 可以看出結果與今天的精確值比較接近。
三. 邁克爾遜旋轉鏡和干涉儀測法如圖7所示是邁克爾遜用轉動八面鏡法測光速的實驗示意圖,圖中S為發光點,T是望遠鏡,平面鏡O與凹面鏡B構成了反射系統。八面鏡距反射系統的距離為AB=L(L可長達幾十千米),且遠大於OB以及S和T到八面鏡的距離。現使八面鏡轉動起來,並緩慢增大其轉速,當轉動頻率達到f0並可認為是勻速轉動時,恰能在望遠鏡中第一次看見發光點S,由此邁克爾遜測出光速C。

具體的演算法為,此時八面鏡轉過角度為

即可得出C=16
以上為邁克爾遜的測定光速的原理及計算方法。
四.巧用微波爐測光速
光速的測量並不一定要用科學的儀器,其實在生活中我們可以利用身邊的東西進行測量,我們知道電磁波的傳播速度等於光速,因此我們可以運用微波爐發出的微波進行光速的測量。具體做法如下:
把旋轉托盤從你的微波爐中拿出來,再把一塊巧克力放在托盤上。用最大的功率加熱,直到巧克力上有兩到三處出現融化——這僅僅只需20秒鍾的時間。然後,從微波爐中拿出巧克力,測量兩個融化處之間的距離,再將此距離乘以2,在乘以2,450,000,000(即2450兆赫茲,如果你的微波爐是標准廠家生產的,那麼多半就是這個頻率)。接下來,你會驚奇地發現,算出的結果非常接近299,792,458——若加上米/秒的單位,即是光速。
我們知道,微波爐每秒產生24億5千萬次的超高頻率,快速震盪爐中事物所含有的蛋白質、脂肪、水等成分的分子,使分子之間互相碰撞、擠壓、摩擦,重新排列組合。簡而言之,它是靠事物內部的摩擦生熱原理來烹調的。由於巧克力棒靜止不動地停留在微波爐里,微波持續地震盪相同的部位——即迅速變熱並融化的地方。而相鄰兩個融化點之間的距離即是波長的一半,因為微波穿過巧克力塊時是上下波動的。將兩個融化點之間的距離乘以2,即為一個完整的波長。而微波和光波一樣,它們都是以光速行駛的電磁波。在你的爐子里,它們的頻率為2450兆赫茲,這就意味著它們每秒鍾上下跳躍的次數為24.5億次。我們已經計算出它們的波長——經歷完整的一輪上升和下降的波動說走過的距離。因此我們可以計算出這樣的微波經歷24.5億次上升和下降說走過的長度,也就是說,它們在一秒鍾內所走過的長度。這樣,我們的數據就足夠了:如果你發現巧克力的融化點之間的距離是6厘米,那麼用0.06*2*2.45*1,000,000,000講會得到294,000,000——這個結果與物理學家們用了半個世紀測出的結果及其相似。
小結:以上為測量光速的幾種方法,得出的結果的精確度不同,但總的來說都是人類智慧的結晶以及人類對科學進行探究的見證

第一個嘗試測量光速的,也是伽利略。他和他的助手在夜間相隔數公里遠面對面地站著,每人拿一盞燈,燈有開關(注意當時還沒有電的知識,更沒有電燈。)當伽利略在某個時刻打開燈,一束光向助手方向射去,助手看到燈後馬上打開自己的燈。伽利略試圖測出從他開燈到他看到助手開燈之間的時差,從而算出光速。但這個實驗失敗了,因為光傳播速度太快,現在知道,要想通過這種方法測出光速,必須能測出10-5秒的時差,這在當時是完全不可能的。

第一個比較正確的光速值,是用天體測量得到的。1675年,丹麥天文學家羅麥注意到,木衛消失在木星陰影里的時間間隔逐次不同,它隨著各次衛星掩蝕時,木星和地球之間距離的不同而變長或變短。他認識到這是由於在長短不同的路程上,光線傳播需要不同時間。根據這種想法,羅麥推算出c=2×108米/秒。

直到1849年,地面實驗中才有較好的光速測量。當時,法國物理學家斐索利用高速齒輪進行這項工作。1862年,傅科成功地發展了另一種測定光速的方法,他用一個高速轉鏡來測量微小的時間間隔。下圖是經過改進後的實驗裝置示意圖。轉鏡是一個正八面的鋼質棱鏡,從光源S發出的光射到轉鏡面R上,經R反射後又射到35公里以外的一塊反射鏡C上,光線再經反射後回到轉鏡。所用時間是t=2D/c。在t時間中轉鏡轉過一個角度。實驗時,逐漸加快轉鏡轉速,當轉速達到528轉/秒時,在t時間里正好轉過1/8圈。返回的光恰恰在棱鏡的下一個面上,通過半透鏡M可以從望遠鏡里看到返回光線所成的像。用這種方法得到c =299,796±4公里/秒。

近代測量光速的方法,是先准確地測量一束光的頻率v和波長λ,然後再用c=vλ來計算。1973年以來,採用以下的光速值

c =299,792,458±1.2米/秒。

順便指出一點:各種測量光速的方法,得到的結果都很一致,這也成為光速不變性的一個有力佐證。

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