光速测量实验装置

Ⅰ 求A.迈克尔逊做的光速测量实验全过程。

18世纪，科学界是沉闷的，光学的发展几乎处于停滞状态。继布莱德雷之后，经过一个多世纪的酝酿，到了19世纪中期，才出现了新的科学家和新的反复法来测量光速——法国科学家菲索和傅科，开始用物理的方法测定光速。当时先后产生了旋转齿轮法和旋转镜法这两种方法。

3.1 1849年
旋转齿轮法是法国物理学家菲索 (Armanda Hippolyte Louis Fizeau,1819.9.23-1896.9.18)在1849年发明的。他的方法原理与伽利略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透镜的另一侧较远的地方依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上会聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看但返回的光，当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的迈克尔逊光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间不难求出。通过这种方法，菲索测得的光速是315 000Km/s。但由于齿轮有一定的宽度，用这种反复法很难精确的测出光速。

3.2 1850年

1850年，法国科学家傅科(Jean Bernard Keon Foucault,1819.9.18-1868.2.11)

改进了菲索的方法。

他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测出的光速是：298 000Km/s。

另外，傅科还测出了光在水中的传播速度，通过与光在空气中传播的速度的比较，他测出了光由空气中射入水中的折射率。这个实验在微粒说已被波动说推翻之后，又一次对微粒说作出了判决，给光的微粒理论以最后的冲击。

3.3 1878年

美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson,1852-1931）从1878年开始用旋转镜法对光速进行了持续50年的测定工作。在迈克尔逊在海军学院任教不久，演示了傅科测定光速的方法，由此对测定光速产生了兴趣。起初，他“没有办法保证任何精确的”结果，“仅仅打算去演示这一方法”，为此，“找到了放在实验室中的粗笨的仪器”。

傅科的实验装置是借助定日镜照明一条明亮分划线作为光源，将可旋转平面镜放在透镜L焦距内距L很近处。A和B是当旋转反射镜M1在两个特定位置时S的虚像，它们经透镜L分别成像于A’和B’两点。凹面镜的曲率中心与M1镜的旋转轴重合，使得所有的光束在和之间传播距离相等。S’是经镜反射后待观察的虚像，偏转角a是与之间的S与S’之间的夹角。傅科选取的L与间距离约为20m；他使用的旋转平面镜转速为400r/s。

3.4 1879年

迈克尔逊分析这一装置，发现精度底是由于偏转角太小。他将S改为狭缝光源，使亮度显著提高，并将和之间的距离增大到152m，使适当靠近透镜L的焦点，则轴上光速经L在镜上成的像被限制在与透镜有相同直径的范围内，这样可以改用平面镜；他还将测偏角a的半径由原来的1m改为9m多。

虽然镜转速仅有128r/s，但整个偏转角还是增大了约20倍，因而提高了a角的测量精度。他这次测出空气中的光速为300 140Km/s。

实验取得了成功，促进他继续改进装置，以获得更精确的结果。1878年7月，他将透镜的直径增大到20cm，两反射镜之间距离增大到605m，镜子转速为250r/s，观察到的位移为133mm。实验从1879年6月5日开始，每次测量的数据都不舍掉，对空气的折射率作修正之后，得到在真空中的光速为299 940Km/s，测量精度提高了3倍。

迈克尔逊于1879年秋被纽科姆教授邀请到航海历书局参加由政府资助的光速测定研究。他从欧洲回国后，纽科姆因自己测得的光速值：299 860±30Km/s与迈克尔逊的值相差50Km/s，对这一差异满意，于是迈克尔逊重新进行测定。

3.5 1882年

这次的实验使用了弧光灯，距离由市政工程专家进行测量，测得的值为：624.695m，反射镜的转速经过更精确的校准，测量场地选在校园后一段铁道的北边，光学仪器就在装在两个水泥柱子上，从1882年10月12日到11月14日这段时间，迈克尔逊进行了23次测量，得出真空中的光速为：299 853±60Km/s，该结果在45年中一直被作为全世界的公认值，直到1926年威尔逊山的测定结果发表。

3.6 1883年

1883年开始，迈克尔逊测定了光在蒸馏水中的速度，两反射镜间距离为5.37m，装水的管子长3.06m，测出真空中与水中光速之比为1.33。以前又阿拉戈建议，傅科和菲索等人证明了光在水中速度比在空气中慢，此结果成为光的波动理论的有力证据，但定量测量还没有人做过。

他又将管中改装二硫化碳（）测出了白光、红光和蓝光在该媒质中的传播速度，得到了意外的结果，测得光在真空中与中的速度之比为1.758±0.02，而的折射率为1.64，发现了两者间的显著差别。他还发现红光与蓝光在中的速度比为1.014。这个实验第一次为瑞利在色散媒质中波速度、群速度理论提供了可靠的实验证据。

Ⅱ 光速是怎样测出来的

1、天文学方法1676年，丹麦天文学家O.C.罗默利用木星卫星的星蚀时间变化证实光是以有限速度传播的。

2、布莱德雷的光行差法

1728年，英国天文学家布莱德雷（1693—1762）采用恒星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量，布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周。

他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化，他由此测得光速为：C=299930千米/秒。

3、地面测量方法

光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度，由于光速很大，所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间，大地测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法。

4、旋转齿轮法

用实验方法测定光速首先是在1849年由斐索实验，他用定期遮断光线的方法（旋转齿轮法）进行自动记录。

5、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。

Ⅲ 光速是怎么测定的，和它被测历史

17世纪前，天文学家和物理学家以为光速为无限大，宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑，为了证明光速的有限性，他在1600年左右曾做过粗糙的实验，他确定了A用灯光把信号传到B并收到从B回来的信号所需要的时间。这个实验是在晚上当两个观察者紧靠着站在一起，以及当他们相距近一英里时分别进行的。如果能发觉有时间差，那么，光就是以有限速度传播的，伽利略不能从他的实验解决这个问题。但他提出了一个完全不同的问题，他评论道，在木星后面的木星卫星时常消失，可以用来作光速的测量。
1849年，法国物理学家菲索用齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图4中光源S发出的光束在半镀银的镜子G上反射，经透镜L1聚焦到O点，从O点发出的光束再经透镜L2变成平行光束。经过8.633千米后通过透镜L3会聚到镜子M上，再由M返回原光路达G后进入观测者的眼睛。置于O点的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有720个齿，转速为25转／秒时达到最大光强，这相当于每个光脉冲往返所需时间为1/18000秒，往返距离为17.266千米，经过二十八次的观察，由此可得с＝312000千米／秒。这个数值与当时天文学家公认的光速值只有较小的差别。
差不多与菲索同时进行光速测定工作的便是傅科。1819年9月18日他生于巴黎，最初研究过医学，但从1845年以后从事物理学的研究，与斐索是初期的合作者。两人分手后，各自都进行着光速测定的研究工作。在光速测定的研究中，傅科是采用旋转平面镜的方法来测光速的。经过一段时间的研究，于1850年5月6日向科学院报告了自己实验的结果，并发现光速在水中比在空气中小，证明了波动说的观点是正确的，它给光的微粒说带来了再一次的冲击。在论文中，傅科叙述了实验装置的改进和实验的结果。他指出，所用的仪器与以前所说的仪器设有什么重大的区别，只是装了一套推动圆周屏幕移动的齿轮系统，以便准确量度镜的旋转速度。此外，实验中所用的距离，也用几次反射的方法，使其距离从4米扩大到20米。由于光通过的距离增长，对时间的量度更为准确，使他得到的结果也更好。傅科指出，最后的结果，光的速度好像显然地比人们想象的速度要小，用旋转镜测得的光速为每秒大约2.98×108米/秒。接着他又分析这一结果的准确程度。据他看来，该实验的误差，不应该超过5×105米。在这一条件下，傅科认为这一实验数值是正确的。
在菲索和傅科之后，又有不少科学家，采用并改进了前人的方法，继续测量光的传播速度。主要有以下几位：法国的科尔尼（M．A．Cornu，1841～1902）采用菲索的方法，作了一些改进，于1874年在实验中把反射镜安装在23公里远的地方，测出的光速为每秒2.985×108米，而1878年又测得3.004×108米。1880～1881年，英国的詹姆斯·杨（Oames Young）和乔治·福布斯（G．Forbes）测得的数值为每秒3.01382×108米。
光速的最精确的测定是在美国作的，1867年，海军天文台的纽科姆（Newcomb Simon，1835～1909）建议重做傅科的实验，迈克耳逊于1878年在安纳波利斯海军学院的实验室做了初步的实验。测量是在1879年做的。1882年，迈克耳逊在俄亥俄州克利夫兰的凯斯学院作了测定。
迈克耳逊以毕生精力从事光速的精密测量；1879年，他用自己改进了的傅科方法，利用凹面镜和透镜把光路延长到600m，旋转镜使返回光位移133mm，获得光速值为299910±50km/s。1882年，他又把测量精度提高，获得的数值为 299853±30km/s。这都是当时最新纪录。后来到1923年他又重新专心致志地从事光速测量，在加利福尼亚的两个相距约35公里的山头之间，一个新的特点是应用了八角形的转动镜，这提供了接受相继反射面的反射光的可能性，这样就免除了反射光线的角度偏差的测量；测得的数值为299798±4km/s。