淺析物理學中光速的測量方法

　　光速是一個非常重要的物理常量，它與力學、電磁學、光學及近代物理中的許多定理、定律都有著密不可分的關系，下面是小編搜集整理的一篇探究光速測量方法的論文范文，歡迎閱讀借鑒。

　　摘要：光速是最重要的物理常數(shù)之一，光速值的精確測量關系到許多物理量值精確度的提高。光速的測量在光學的研究歷程中有著重要的意義，其測量精度的每一點提高都反映和促進了相應時期物理學的發(fā)展。本文主要對天文學方法和利用精密儀器實驗方法進行分析。

　　關鍵詞：光速;測量方法;天文學方法;實驗方法

　　1.引言

　　光速是一個非常重要的物理常量，它與力學、電磁學、光學及近代物理中的許多定理、定律都有著密不可分的關系，故光速的測定歷來為物理學界所普遍重視。

　　伽利略1607年首次嘗試測量光速。(Fazeiu)利用旋轉齒輪機構，測得光速值約為3.15×108m/s，是第一次在地球上測得的比較準確的值。傳統(tǒng)的光速測定的基本途徑2條：一種是利用光是電磁波的性質，測出光波的波長和頻率再算出光速。

　　由于可見光的頻率高，波長短，測頻技術難度非常大，所以目前實驗使用的光速測量儀器大多利用示波器測量微小的時間間隔，這種測量歸因于精密的儀器，而且其測量的也僅僅是光在光纖中的速度，而非真空中的速度。

　　并且實驗中缺少動手操作的過程，僅僅是讀取一些數(shù)據(jù)。本文提出的光速測量設計性實驗的思路是根據(jù)光的電磁波性質，用光學基礎，通過測定RCL電路的諧振頻率從而導出光速的表達式。

　　以前許多科學家們探索了光的測量方法，下面介紹了以前的幾種測量方法。測量光速的方法通常分為天文學方法和利用精密儀器測光速方法兩大類。

　　2.天文學方法

　　2.1木星衛(wèi)星蝕：1676年丹麥天文學家O.Rmer用木星衛(wèi)星蝕法第一次成功地測量了光速。周其為12年的木星是太陽行星，而繞木星運行的.衛(wèi)星周期性的出現(xiàn)衛(wèi)星蝕。O.Rmer根據(jù)衛(wèi)星蝕的周期性變化規(guī)律計算出光速的數(shù)值為214000km/s。此數(shù)雖同現(xiàn)代測量結果的誤差很大，但其主要意義在于使O.Rmer第一次用實實驗方法測得光速是以有限速度進行轉播的。

　　2.2恒星光行差法：1728年英國的天文學家James.Bradley發(fā)現(xiàn)，在地球繞太陽運行的一年內所有的恒星在天空中畫出長半軸相等的橢圓。其中在橫道面內的恒星所畫的橢圓蛻化成一條直線，通過太陽且垂直于黃道面直線上的恒星所畫的橢圓退化成一個圓，從地球上看這些橢圓長軸的張角等于40.9"，這種現(xiàn)象稱為恒星的光行差。這種現(xiàn)象是由于光的轉播速度具有有限值而引起的。利用這種方法測的光速為303000Km/s，它很接近于現(xiàn)代實驗室測的光速的數(shù)值。

　　3.利用精密儀器的實驗方法

　　3.1齒輪法：1849年H.L.Fizeau第一個在實驗室中成功地測量了光速。他利用齒輪周期性地遮斷光線的方法，精確的測定了時間。在1847年到1902年間，用此方法測的光速均在2.99×108m/s的范圍內。

　　3.2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。由于光源較強，而且聚焦得較好，因此能極其精密地測量很短的時間間隔。

　　3.3旋轉棱鏡法：1962年Michelson改進了L.Foucault的實驗，設計了旋轉棱鏡法，主要是利用多面反射鏡代替。L.Foucault實驗中的單一平面鏡，以提高測量精度。此實驗中測的光速為299796±4km/s。Michelson實驗選擇的光路很長，由于空氣的溫度和壓力的變化所造成的空氣的不均勻性很難測量，從而很難換算為真空中的光速，為此后來Pearson和Pease對原來的實驗加以改進，由此測得真空中的光速為299774±2km/s。

　　3.4克爾盒法：Korlus和Mittelstaedt首先利用克爾盒調制光強的方法求測量光速。在短光路、微小時間間隔范圍內能夠準確測量光速，從而使實驗精度大大提高。后來Anderson和Hiittel各自獨立地改進了此實驗，它們測得光速為299776±6km/s，而1951年Berstrand進一步改進了此實驗，測得光速為299793.1±0.3km/s。

　　3.5光拍頻法：光拍頻法測光速是一種通過測量光拍的速度進而間接測量光速的方法。光拍頻法測量光速是利用光拍的空間分布，測出同一時刻相鄰同相位點的光程差和光拍頻率，從而間接測出光速。目前此種方法是一般實驗室中進行光速測量的常用方法。

　　根據(jù)振動疊加原理，兩列速度相同、振動面和傳播方向相同，頻差又較小的簡諧波疊加形成拍。借助于聲光移頻器可以使光和超聲波發(fā)生相互作用，其結果是使輸出光的頻率發(fā)生改變，在駐波法精形下可以得到輸出衍射光的[頻率為：fLm=f0+(L+2m)F(其中f0代表射光波的頻率，L及m代表輸出光衍射級次，F(xiàn)代表超聲波的工作頻率)，同時利用圓孔光闌從中選取頻率相近的兩種光合成所需的光拍頻波。光電接收元件對相應的光拍信號進行處理，同時考慮到光拍信號上不同位置處的位相不同，就可以在其上選取兩點，使此兩點為相差2π，則此時兩點之間的最短距離為一個拍頻率波波長。

　　同時，教師在物理教學中應多做一些學生意想不到，能引起學生思維沖突的演示實驗。為了激發(fā)學生的興趣，調動學生的積極性，教師在選擇，設計演示實驗時，應多做一些學生意想不到，違背學生思維常規(guī)的試驗，不僅能有效地突破學生的思維定勢，糾正知識錯誤，深化理解知識，更能激起學生的不安，使學生積極主動地參與對實驗現(xiàn)象，原因等的分析，討論之中，極大地調動學生的思維積極性和養(yǎng)成多角度、多層次看問題的習慣與品質。如在表面張力教學中給學生演示中對接在一起，大小不同的兩個氣球寧開閥門k后的現(xiàn)象，可讓學生先猜測，學生一致認為是A變小，B變大，而結果卻恰好相反，通過引導分析，學生能很好地理解附加壓強的存在及其影響。又如開水煮魚，紙鍋燒水，瓦碎蛋全等實驗也都能有效地激發(fā)沖突，調動學生的思維。

　　結語

　　總之，在創(chuàng)新教育成為21世紀教育主旋律的形勢下，教師需突破演示實驗原有的框框和設定，努力探索，發(fā)揮演示實驗的創(chuàng)新教育教學功能。實踐證明，只要教師正確認識，認真對待，演示實驗定能起到一箭雙雕之效果。